近日，上海科學(xué)智能研究院聯(lián)合北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊正式宣布，團(tuán)隊設(shè)計的多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)PackingStar，在多個維度刷新了困擾數(shù)學(xué)界數(shù)百年的“親吻數(shù)”紀(jì)錄，助力實現(xiàn)了數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的系統(tǒng)性突破。

對于這個平均年齡只有30歲左右的科研團(tuán)隊來說，這不僅是一項“硬核”的突破，更是一份獻(xiàn)給科學(xué)界的“新年禮物”。當(dāng)千家萬戶在爆竹聲中祈愿新歲時，PackingStar已化身為一艘“宇宙飛船”，帶人類抵達(dá)了那些遙不可及的“數(shù)學(xué)星系”。

(資料圖片僅供參考)

與AI“較勁” 把人類直覺注入算法“血液”

“菲爾茲獎得主Thurston曾留下過一句話，‘?dāng)?shù)學(xué)不是關(guān)于數(shù)字或算法的，它是關(guān)于理解的藝術(shù)’。在PackingStar的研究中，我們對這句話有了切身的體會?！鄙虾？茖W(xué)智能研究院AI科學(xué)家陶兆巍說道。

1694年，牛頓和格雷戈里在劍橋提出一個問題：在一顆中心球周圍，最多能緊貼放置多少顆相同的球？這就是三維空間的“親吻數(shù)問題”。后來，數(shù)學(xué)家對于“親吻數(shù)”的研究拓展到31維乃至更高維度。

“如果把數(shù)學(xué)看作一個由邏輯法則構(gòu)成的、近乎無窮的虛空，那么那些真正有意義的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，就像是散落在深空中的零散星系。以往，我們只能靠紙筆和有限的想象力去遠(yuǎn)眺；而 PackingStar 就像是我們的‘哈勃望遠(yuǎn)鏡與宇宙飛船’，它不僅讓我們看清了那些遙遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的輪廓，更帶我們真正抵達(dá)了那里?！碧照孜≌f。

對于“親吻數(shù)問題”這樣的高維組合優(yōu)化問題，本質(zhì)上與新材料設(shè)計、藥物發(fā)現(xiàn)等重大挑戰(zhàn)同屬一類，都要在指數(shù)級增長的搜索空間中尋找最優(yōu)解。長期以來，人類數(shù)學(xué)家往往依靠對稱性來搜索高維結(jié)構(gòu)。但PackingStar找到的解則往往處于一種奇異的狀態(tài)——擁有明確的幾何規(guī)則，卻又破壞了全局對稱性。起初，這些結(jié)構(gòu)對于人類如同亂碼，但通過深入分析，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)它們在幾何上不僅是可解釋的，甚至蘊(yùn)含著新的數(shù)學(xué)構(gòu)造邏輯。

“PackingStar真正的意義，不在于它找到了一組漂亮的數(shù)據(jù)，而在于它開啟了一種‘人機(jī)’互促進(jìn)化的科研范式。人類提供數(shù)學(xué)直覺和對問題的洞察，然后是AI構(gòu)造結(jié)構(gòu)和搜索證明，再讓人類理解結(jié)果，抽象出理論，并進(jìn)一步改進(jìn)自身的直覺和AI的系統(tǒng)?！碧照孜≌f。

在這個過程中，數(shù)學(xué)家的角色發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變：從繁瑣的計算乃至構(gòu)造證明的嘗試中解放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)學(xué)觀察者”和“直覺設(shè)計者”。

陶兆巍表示，在這個過程中，自己最迷戀的部分其實是那種“智力的拉鋸戰(zhàn)”。“我會和AI較勁。就像是同步出發(fā)去搜索寶藏，如果我在某一步比AI表現(xiàn)得更好，我會嘗試把這種人類獨有的直覺轉(zhuǎn)換成算法，再次注入AI的‘血液’。這種‘互相反哺’的過程，讓AI越來越聰明，也讓我的數(shù)學(xué)直覺被不斷重塑。”

從規(guī)律發(fā)現(xiàn)到“無中生有”的科學(xué)智能進(jìn)化

談及為什么要推進(jìn)這項關(guān)于“親吻數(shù)”的數(shù)學(xué)研究，上?？茖W(xué)智能研究院院長漆遠(yuǎn)表示，十多年前，他就在思考，人工智能能否發(fā)現(xiàn)未知規(guī)律。數(shù)學(xué)正是這樣一類問題的集中體現(xiàn)。

要理解 PackingStar 的意義，可以對比曾在生物學(xué)界引起轟動的AlphaFold（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型）。漆遠(yuǎn)表示，AlphaFold 可看作“科學(xué)智能1.0”的代表，依賴的是海量已知數(shù)據(jù)。而數(shù)學(xué)問題幾乎沒有現(xiàn)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)，需要通過人工智能進(jìn)行搜索、生成與合成數(shù)據(jù)，要在“無中生有”的過程中逼近未知結(jié)構(gòu)。這要求人工智能專家與數(shù)學(xué)家深度協(xié)作，任何一方單獨都無法完成突破。

漆遠(yuǎn)坦言，這次在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的嘗試，是一次冒險?！案顚拥膲毫碜孕袠I(yè)里一些大數(shù)學(xué)家的斷言——人工智能在短期內(nèi)不可能真正解決有意義的數(shù)學(xué)問題。如果這個判斷是真的，我們的努力或許在一年或兩年之后證明是個失敗?！?/p>

2024年1月份，漆遠(yuǎn)遇到了正在進(jìn)行“親吻數(shù)”研究的馬成棟，“他講到自己正在研究的問題時，整個人眉飛色舞，流露出那種發(fā)自內(nèi)心的熱愛。作為一個從事人工智能研究的人，他講的那個問題讓我覺得特別有意思。我當(dāng)時意識到，這可能是一個非常好的切入點。”

這次見面，促成了后續(xù)PackingStar項目的推進(jìn)。“我并不相信大數(shù)學(xué)家們的那個斷言。但所有的東西都要加上一個時間的期限。我們有可能五年之后能夠做出來，但可能我們給的時間只有三年或者只有一年。所以我們要直面的一個問題是，如何用人工智能來加速這個過程。”漆遠(yuǎn)說。

答案是“工程+算力”。漆遠(yuǎn)介紹，過去更多是靠人的靈感來發(fā)現(xiàn)新的東西、新的結(jié)構(gòu)、新的科學(xué)規(guī)律。人工智能，是一個工程性的平臺?！拔覀兿Ｍ眠@種強(qiáng)大的工程性的平臺來加速數(shù)學(xué)的發(fā)現(xiàn)，用工程化的穩(wěn)定性，來對沖科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不確定性?！?/p>

科學(xué)家提供問題理解與判斷邊界，AI專家設(shè)計搜索與學(xué)習(xí)機(jī)制，工程團(tuán)隊支撐規(guī)?；嬎闩c系統(tǒng)實現(xiàn)，三者緊密協(xié)同，構(gòu)成“AI—科學(xué)—工程”的三位一體。在PackingStar的研發(fā)過程中，上?？茖W(xué)智能研究院形成的這種協(xié)作，標(biāo)志著科學(xué)智能正式進(jìn)入2.0階段。

站在科技與人文的十字路口

在漆遠(yuǎn)看來，頂尖的科學(xué)突破往往不只取決于聰明與否，更取決于一種單純的專注和跨界的碰撞。

這讓人聯(lián)想到科學(xué)史上著名的劍橋大學(xué)“老鷹（Eagle）酒吧”——當(dāng)年，背景迥異的年輕人沃森和克里克就是在那里通過不斷的跨界聊天，最終推開了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大門。

如今，在上海徐匯西岸，類似的浪漫正在上演。PackingStar團(tuán)隊里沒有學(xué)科的界限：有研究物理出身、跨界強(qiáng)化學(xué)習(xí)的馬成棟；有在人工智能與數(shù)學(xué)之間自由切換，始終保持對生活與審美敏感的陶兆?。挥袩釔蹜敉?、極度自律的李鵬宇……這群年輕人散步在公共藝術(shù)裝置之間，突然聯(lián)想到 12 維空間的數(shù)學(xué)最優(yōu)解，科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)在同一座城市自然交匯。

“PackingStar”這個名字里，藏著兩層深意：第一層是研究本身，在高維空間填充球體，每個球在科學(xué)家眼里都像一顆星星；第二層是情懷，在這個團(tuán)隊里，每一個跨界的年輕人都是一顆新星。

這正是上海在科學(xué)智能時代獨特的人文底色。真正動人的創(chuàng)造往往誕生于“科技與人文的十字路口”，在這里，AI不再是“冰冷的”工具，而是合作伙伴。人類定義問題，AI 協(xié)助解決，這種“人機(jī)協(xié)作”的科學(xué)研究范式，讓人類能夠更快更深入地探索宇宙的奧秘。

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