流浪地球裡的數字生命計劃啟動了？DeepMind在電腦裡造果蠅，網友：能造人嗎？

机器之心發表於2024-03-18
原文網址 : https://www.jiqizhixin.com/articles/2024-03-18-4

「質疑圖恆宇，理解圖恆宇，成為圖恆宇。」

在《流浪地球 2》中，劉德華飾演的圖恆宇是一個令人印象深刻的角色。為了讓在車禍中去世的女兒擁有「完整的一生」，他不顧人類世界對「數字生命計劃」的禁令，一直在暗中獨自努力完善數字生命的架構，並最終決定公然違規，將女兒的資料上傳至量子計算機，之後因此被捕入獄。圖片
電影《流浪地球 2》中的數字生命圖丫丫。

電影上映後，有關「數字生命」的話題經過了很多討論。

最近，這個話題被再次提起，起因是不少失去親友的人正在嘗試用 AI 技術「復活」逝者，製作出一系列包含逝者形象的虛擬影片。一個「質疑圖恆宇，理解圖恆宇，成為圖恆宇」的評論被贊上萬次。

不過，這些影片大多沒有可互動性。按照現在的技術，即使設定了互動功能，螢幕裡的人也會因為違背一些物理直覺而顯得很假。畢竟，理解物理世界，並按照物理世界的規律去運動、思考依然是一個沒有解決的問題，就連最近大火的 Sora 影片生成模型也被認為做不到這一點。

更何況，能真正以假亂真的「數字生命」被認為是要擁有自主意識的。而意識是什麼，如何構建，在科學界都沒有達成共識。所以，真正的「數字生命」其實離我們還很遙遠。

不過，人工智慧科學家和神經科學家正在聯手，朝著這一方向努力。

神經科學 + 人工智慧：在電腦裡造一隻逼真果蠅

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這是谷歌 DeepMind 和美國 Janelia 研究園區（霍華德・休斯醫學研究所成立的神經科學研究機構）共同研究出的一個虛擬果蠅，它能像真實的果蠅一樣行走和飛行。流浪地球裡的數字生命計劃啟動了？DeepMind在電腦裡造果蠅，網友：能造人嗎？
這段影片顯示，虛擬果蠅再現了真實果蠅的飛行動作（自發轉彎），執行以 2 釐米 / 秒的速度行走的命令，同時向左、向右轉彎。模型還模仿了真實果蠅的行走軌跡，包括以不同速度行走、轉彎和短暫停止。

同時，它也是迄今為止最逼真的果蠅模擬，結合了新的解剖學精確模型、快速物理模擬器和根據果蠅行為訓練的人工神經網路，以模模擬實果蠅的動作。

除了在複雜的軌跡上行走和飛行，虛擬果蠅還能用眼睛控制和引導飛行。

「你獲取真實的果蠅資料 —— 它們是如何飛行的，如何行走的 —— 訓練網路來模仿這些動作，然後讓我們訓練好的這個網路來控制果蠅，告訴果蠅如何運動，」Janelia Turaga 實驗室的機器學習研究員 Roman Vaxenburg 領導了這個專案。他說，「它就像一個小型大腦，控制著果蠅的動作」。

新模型是該團隊虛擬果蠅的首次迭代，他們計劃利用更多的解剖和感官特徵以及真實的神經網路使其更加逼真。這也是他們所希望實現的一系列逼真動物模型中的第一個。他們和其他研究人員現在可以利用這個通用的開源框架來開發這些模型。

這些模型可以幫助科學家更全面地瞭解神經系統、身體和環境是如何共同控制行為的。幾十年來，研究人員一直在實驗室中用真實動物探究這些問題，而逼真的虛擬模型將使科學家們能夠了解所有這些組成部分是如何相互聯絡的，以及實驗室中無法測量的因素 —— 比如飛行時施加在身體上的力是如何影響行為的。

「對身體的模擬可以告訴你神經系統的指令是如何轉化為動作和行為的，而這個『如何』與身體的形狀以及身體如何與世界互動的物理學有關，」該專案的高階科學家、Janelia 小組組長 Srinivas Turaga 說，「所有這些都編入了這個物理模擬中」。流浪地球裡的數字生命計劃啟動了？DeepMind在電腦裡造果蠅，網友：能造人嗎？
這段影片顯示了果蠅模型以 30 釐米 / 秒的速度在固定高度執行直飛指令，隨後果蠅模型再現了真實果蠅的飛行動作：躲避感知到的威脅和自發轉彎。接下來展示的是果蠅模型以 2 釐米 / 秒的速度執行行走指令，同時向左轉和向右轉，然後是果蠅模型模擬真實果蠅的行走軌跡，包括以不同速度行走、轉彎和短暫停止。

新模型建立在以前模擬果蠅行為的工作基礎上，包括使用簡化的蠅體和手動控制系統來模擬飛行的「大統一果蠅（Grand Unified Fly）」。最近推出的 NeuroMechFly 使用逼真的身體模型和帶有學習元件的手動控制系統來模擬行走。

在這項新研究中，Janelia 的研究人員和 DeepMind 的科學家在高階研究科學家 Yuval Tassa 和 Josh Merel 的領導下，著手改進果蠅模型的解剖學、生物力學、物理學和行為學資訊，以創造出一種能夠執行多種行為的更逼真的果蠅模擬。這項工作是 Janelia 和 DeepMind 之間的多項合作之一，雙方利用各自在神經科學和人工智慧領域的專業知識共同解決科學問題。

DeepMind 高階研究總監 Matthew Botvinick 說：「儘管人們普遍承認，理解大腦功能取決於理解身體及其與其他物理物件的相互作用，但計算神經科學研究很少尋求在這種全域性層面上模擬事物。在與 Srini 和這個團隊的其他成員進行頭腦風暴的過程中，我們意識到有一個令人興奮的機會，可以在果蠅研究的背景下將所有的碎片整合在一起」。

未來還會有虛擬小鼠、虛擬斑馬魚、虛擬……

整個果蠅的打造過程可以概括為：

首先，Janelia 研究專家 Igor Siwanowicz 用顯微鏡對成年雌果蠅的各個部位進行了成像，並使用計算機軟體構建了一個解剖學上精確的果蠅體外虛擬模型，其中包括果蠅關節和附肢的運動。
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DeepMind 的研究人員 —— 包括 Tassa、Merel 和研究工程師 Guido Novati—— 將這一虛擬模型轉化為程式碼，並輸入 MuJoCo 模擬器，這是一個專為機器人和生物力學設計的快速開源物理模擬器。該工具使研究人員能夠虛擬模擬現實世界中物體的運動和互動方式。

為了支援果蠅模型，研究人員對模擬器進行了重大升級，包括附著力致動器，以模擬昆蟲腳抓物體表面時產生的力。研究小組還請 Novati 設計了一個新的流體力學模型，用於描述果蠅在空中飛行時所受的力。該專案的資深作者 Tassa 說，該模型可以支援各種空氣動力學行為，包括展翅飛翔。這裡，他們用到了端到端強化學習。
圖片 飛行模擬。
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行走模擬。
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視覺引導飛行任務：高度控制和避障。
Tassa 還表示：「由於作用在果蠅身上的力是如此微小，對這樣一種小昆蟲進行建模非常具有挑戰性。」

接下來，Vaxenburg 建立了一個人工神經網路，並根據真實的果蠅行為對其進行訓練，方法是向該網路提供由果蠅行為專家錄製的影片資訊，這些專家包括 Janelia 高階小組負責人 Kristin Branson 和 Michael Reiser、HHMI 研究員 Gwyneth Card 和加州理工學院教授 Michael Dickinson。

Vaxenburg 說：「我們的目標是提高逼真度，這透過兩個方面的工作來實現：一個是改進解剖細節的捕捉，即果蠅的構造；另一個是捕捉行為，即果蠅的動作和反應。」

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上圖展示了果蠅模型的身體結構和自由度。果蠅模型由 67 個身體部分組成，由 66 個關節連線，相當於 102 個自由度。圖中顯示了所有自由度以正弦波方式運動的序列。

這個新模型只是一個開始。下一步，研究小組希望將果蠅解剖結構的其他部分（如肌肉和肌腱）以及逼真的感覺系統納入虛擬昆蟲中，從而建立一個更加逼真的果蠅模型。他們還希望能夠使用真實的神經網路，如果蠅腹側神經索連線體，為模型提供動力。

鑑於研究小組已經證明他們能夠建立這類逼真的虛擬模型，未來，他們還想建立虛擬小鼠和斑馬魚，這兩種生物被神經科學家廣泛研究。他們用來建立虛擬果蠅的流程也可供全球研究人員免費使用，使其他人也能建立自己的逼真模型。

Turaga 說：「我們已經展示瞭如何做到這一點，我們可以為另一種生物再做一次。」

目前，關於這一研究成果的論文已經在 bioRxiv 上釋出。作者在論文摘要中寫到，「動物的身體決定了神經系統如何產生行為。因此，對感覺運動行為的神經控制進行詳細建模需要一個詳細的身體模型。」為此，他們在 MuJoCo 物理引擎中提供了一個解剖學上詳細的黑腹果蠅全身生物力學模型，也就是我們前面介紹的虛擬果蠅。
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論文連結：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.11.584515v1

在社交媒體上，這項研究吸引了不少網友的關注，有人問：它會進化嗎？還有人問：他們也能做個模擬人的模型嗎？
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這些網友甚至提供了新的研究思路：
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這一切看起來都很有前景。
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不過，拋開這些尚且比較遙遠的聯想，這項果蠅研究對當前的醫療保健研究也很有意義，可以助力從藥物發現到疫病建模等一系列領域的研究。
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參考連結：https://www.janelia.org/news/artificial-intelligence-brings-a-virtual-fly-to-life

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