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是誰教機器人性別歧視?人工智慧複製人類偏見——高醫大性別所余貞誼專訪

科技大觀園_96
・2021/03/03 ・4566字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

科技始終來自於人性,人工智慧更是如此。此時此刻,人類社會中仍隱藏許多不平等與歧視,人工智慧與這些議題將如何互動?透過社群媒體可以如何解讀性別議題?任教於高雄醫學大學性別研究所的余貞誼助理教授,研究專長包括性別社會學、資訊科技與社會。她關注的重點之一,便是科技應用對社會溝通的影響

2018 年,亞馬遜宣布停止使用 AI (artificial intelligence) 篩選求職履歷,因為從招聘結果看來,這個 AI 居然嚴重的偏好男性

一個好好的 AI,哪裡學來性別歧視的壞毛病?從人身上阿。(設計對白)圖/Pixabay

2006 年機器學習演算法 (machine-learning algorithm) 突破瓶頸,讓人工智慧在某些情況,足以模擬人類的判斷,提供資訊解讀加速作業流程,如影像診斷、關鍵字判讀、資訊推薦、外文翻譯等。此外亦常見以演算法處理排序、挑選內容、過濾資訊等工作,經手人們的決策與信息流通。但快速便捷的同時,多數人不假思索信賴的演算法,也可能會反映強化已經存在的價值偏差,甚至夾帶嚴重的歧視偏見

如同開頭的案例,2018 年亞馬遜的 AI 演算法以過去十年間招聘資料進行訓練,最終演算法「忠實」呈現了招聘男女不平均,由於難以確保該演算法對於性別的公平性,亞馬遜只得棄用。1也有資料學家指出,許多商用的臉孔辨識系統擅長辨識白人男性,換個性別膚色就會失靈。2這些偏差的起因,都與訓練資料的取樣偏誤有關。如何在導入應用之前,發覺演算法失靈以避免可能的不公,將是未來科技社會發展的重要課題。3

用上人工智慧之前:用在哪?該怎麼用?

而除了前述源自訓練資料造成的不公,如人工智慧這類科技工具該用在何處,該如何設計才能稱得上妥適,也存在探討的空間。

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余貞誼認為,人臉辨識科技應用的解讀魔鬼藏在細節裡,需要深刻探究背後的執行與設計邏輯。圖/曹盛威攝

最新的一個爭議案例,發生在印度北方邦的首府勒克瑙 (Lucknow)。當地政府規劃於今 (2021) 年在已知的 200 個性騷擾熱點設立監視錄影器,佈署 AI 人臉辨識進行監看,偵測女性出現困擾表情,即傳送警報予警察局。4

「第一個顧慮的點,是要如何辨認什麼是被性騷擾後不適或是驚恐的表情?」

余貞誼認為,這類科技應用的解讀魔鬼藏在細節裡,需要深刻探究背後的執行與設計邏輯。

印度率先於各國考慮採用 AI 於性騷擾事件,背景脈絡與其 AI 人才的發展息息相關。成功前例便有 2018 年 4 月印度警方使用臉部辨識軟體,根據婦女和兒童發展部 (The Ministry of Women and Child Development) 與失蹤兒童追蹤網站 (Track Child) 提供的照片,在四天之內追蹤到將近 3000 名失蹤兒童的紀錄。5爾後也傳出意圖打造全球最大的臉部辨識系統於刑事系統中,因此有此應用構想確實有跡可循。

但是此次應用人臉辨識系統於警方的監視錄影機,很多執行細節並未審慎考量。非政府組織網路自由基金會 (Internet Freedom Foundation) 就指出,監看臉部表情並不妥當,除了極可能失誤判斷,也形同監視路過女性的一舉一動。

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余貞誼分析,透過官方演算法篩選「受威脅」的女性表情,等同認定這類的事件存在固定的「被害者」形象,除了疏於保護「不夠典型」的受害者,也可能變相為另一種受害人責怪的材料,強化助長「理想受害者」的形象

「用這樣子的方法,會帶來的爭議比解決的問題還要多。」余貞誼指出,公權力錯誤的使用,視同將此演算法所得的結果視為「證據」,有可能導致惡性循環迴圈 (pernicious feedback loop),從出發點即隱含了歧視觀點,並持續強化歧視觀念。政府單位使用演算法需要審慎評估其後果。

官方演算法篩選「受威脅」的女性表情,除了疏於保護「不夠典型」的受害者,也可能強化「理想受害者」的刻板印象。圖/Pexels

印度本次的爭議中,選擇攝影機「看向誰」本身,就已經體現了權力立場,無論是偵測哪個性別,如此的設計都存在著嚴重瑕疵。而更多的問題還包括:這類公權力涉入的演算法,被觀看、紀錄、分析的人本身,其隱私資料是否有受到足夠的哪些保護?有哪些人可以接觸到資料?收集的資料是否有足夠的保護設計?這些都是未來任何牽涉廣泛的科技方案,無論是設計者或是使用者,都必須要審慎考慮的問題。

看見科技中的性別議題:誰的設計,誰能得利?

數位科技產品推出,設計者往往難以意識自身經驗的偏差,而使用者也有可能後知後覺。該如何察覺數位產品中可能存在的偏差?余貞誼介紹了《數據女性主義》(Data feminism,暫譯)6 裡提出的七個原則,由提問來檢視科技產品中的權力:是誰(或不是誰)從事相關技術工作?哪些族群的目標具有優先性?誰會從中獲利?又會有誰因此受忽略或傷害?

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「要先問出『誰』,這個關鍵問題。」余貞誼認為,由此可一窺各種特權,包括了性別議題,如何融入數據產品。

舉例來說,性愛機器人 (Sex Robot) 的爭議,很明顯可以反映出優先以男性視角為中心的產品設計。最早推出的性愛機器人如美國公司 Realbotix 的 Harmony ,其設計服務的對象明顯是異性戀白人男性,除了存在固化的性別腳本,也有科學家指出可能會帶來心理與道德上的隱憂。7

光是決定優先推出的產品、是怎樣的樣貌,就反映了某種權力分配的議題。

設計者優先考慮自己的視角無可避免,但如此一來,蓬勃發展的 AI 產業就更值得密切關注。2018 年,世界經濟論壇 (World Economic Forum, WEF) 全球性別差距報告,指出全球的 AI 從業人員有 78% 為男性組成,性別差距懸殊。AI 快速蔓延各領域應用的此時此刻,如果未能在密切檢視主要由男性視角出發的 AI 應用,將可能擴大既存的性別差距。

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那麼,研發 AI 的時候,該如何避免複製社會上常見的不平等呢?

2018 年二十國集團女性會議 (Women 20, W20) 上,全球資訊網基金會 (World Wide Web Foundation) 提出了運作 AI 的兩個注意事項,以避免帶有性別意識或其他偏見。

首先是應注意訓練資料的平等程度,除了資料的數量,更應該注重質量,尤其檢視樣本中是否存在特定「數據匱乏」(data desert) 的情況,使 AI 缺乏資料無法解讀特定族群。不只性別資料數量應當平均,還包括應納入邊緣與少數族群的資訊。

運作 AI 應注意訓練資料的平等程度,除了資料的數量,更應該注重質量。圖/Pexels

其次,應該找出系統性的偏誤,利用開放資料與邏輯運算進行修正。透過擴大資訊的透明度、訂定相關守則並且開放其它意見的溝通與監督,才有機會避免系統性的偏誤。如前述亞馬遜的履歷 AI 所根據的資料即具備此類系統性的問題,W20 並認為可透過政府單位規範提升 AI 服務的資訊透明度,訂立準則進行監督來修正相關問題。

最後余貞誼補充,由於資料科學家常缺乏對於現場脈絡的理解,《數據女性主義》以及 Google Brain 的數據科學家莎拉‧虎克 (Sara Hooker) ,均提出研發 AI 等數據計畫,應當重視「接地氣」的知識,納入多元參與才有機會打造出更有效、更有創意的方案。

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以性別議題做為試金石,避免人工智慧放大歧視的未來

除了 AI 的從業人員應當銘記在心,自身立場可能帶來的偏差,AI 使用者對於資料來源、資訊與現實間的差距,也應當有一定的體認,甚至提供回饋貢獻。舉例來說,於 2009 年發表於 Nature 風靡一時的「Google 流感趨勢預測」(Google Flu Trend),就在後續幾年間被證實沒有預測效力。當演算法採取間接資料做出推論,使用者對於原始資料與演算法屬性應該有足夠的認識,方不至以管窺天差之千里。

討論到 AI、社群媒體或科技將如何型塑我們的未來,余貞誼主張,任何科技發展的後續效應,主要是人群、情境與科技產物互動的綜合效果,不宜輕易落入「科技決定論」。余貞誼曾以關鍵字分析批踢踢的厭女與性別挑釁,認為由於社群媒體的匿名性以及極化特性,容易聚集極端意見,加上與現實間的界線消弱同情心、倫理規範模糊,因而容易聚集呈現激烈的偏見言論。相同的科技物質基礎不見得會出現同樣結果,仍要端看人與情境的最終互動。

近年來,經諸多有識者的關注,科技設計於性別議題的敏感度逐漸增加。Google 在 2020 年 2 月公開宣告, Google Cloud Vision API 取消照片辨識「男性」「女性」性別標籤,希望以此避免對 AI 灌輸性別偏見。8,9而史丹佛大學歷史系的隆達·希賓格 (Londa Schiebinger) 設立的「性別化創新」網站,也提供科學家與工程師可運用的性別/分析實用方法。如未來設計機器人該如何避免強化性別刻板印象,並列出六種可同時顧及社交投射需求的做法,包括挑戰既有的刻板印象、客製化設計、設計無性別或性別流動的機器人等。10

未來設計機器人應該避免強化性別刻板印象。圖/Pexels

「討論性別,其實就是討論權力,那是一種很具象的『看見權力』的方式。」余貞誼說明從事性別研究的起點,權力有時候很抽象,由性別的角度能協助將之具像化,因而察覺其分佈與影響。

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科技需要克服的偏見絕不止於性別,而探討科技如何受人的權力與價值觀影響,性別議題可說是個最好的試金石,讓我們一窺各種決策之下人性、情境、科技的互動。人工智慧最終發展是載是覆,就端看人類的智慧是否足以駕馭這把雙面刃了。

參考資料

  1. 亞馬遜發現招聘用人工智慧系統歧視女性,決定棄用
    亞馬遜AI徵才歧視女性挨轟- 國際
  2. Buolamwini, J., & Gebru, T. (2018, January). Gender shades: Intersectional accuracy disparities in commercial gender classification. In Conference on fairness, accountability and transparency (pp. 77-91). PMLR.
  3. Courtland, R. (2018). Bias detectives: the researchers striving to make algorithms fair, Nature. Accessed 23 July, 2018. Available: httpa.
  4. 打擊猖獗性犯罪 印度加裝AI監視器偵測女性表情
  5. 印度警方使用人臉辨識技術,在4 天內發現近3000 名失蹤兒童
  6. Book: “Data Feminism”
  7. 暗黑的AI性與愛學者警告:性愛機器人有害- 國際
    AI性愛機器人恐危害人類心理與道德專家籲管制[影] | 國際
  8. Google 圖片辨識AI 工具將不再標記男女| TechNews 科技新報
  9. 高雄醫學大學性別研究所:Al 與社會—數據女性主義
  10. 性別化創新
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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1126 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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AI 能像人類一樣思考?諾貝爾物理學獎研究助力人工智慧模擬人類大腦
PanSci_96
・2024/11/14 ・2117字 ・閱讀時間約 4 分鐘

即使再怎麼模仿,AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧?畢竟電腦的電子元件和我們大腦中的神經細胞結構截然不同。再怎麼模仿,AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧?

錯,可以。

2024 年諾貝爾物理學獎跌破所有專家的眼鏡,頒給了兩位研究機器學習的科學家——約翰·霍普菲爾德(John Hopfield)和傑佛瑞·辛頓(Geoffrey Hinton)。他們以「人工」的方法打造了類神經網路,最終模擬出生物的「智慧」,奠定了當代深度學習的基礎。

為什麼解決人工智慧發展瓶頸的,竟然會是物理學?物理要怎麼讓 AI 更像人類?

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從巴甫洛夫的狗到赫布理論:理解學習的基礎

為了解答這個疑問,我們需要一些背景知識。

20 世紀初,俄羅斯心理學家巴甫洛夫發現,狗在食物還沒入口前,就會開始分泌唾液。他進行了一系列實驗,改變食物出現前的環境,比如讓狗習慣在聽到鈴聲後馬上得到食物。久而久之,狗只要聽到鈴聲,就會開始分泌唾液。

大約 50 年後,神經科學家赫布(Donald Hebb)提出了一個假說:大腦中相近的神經元,因為經常同時放電,會產生更強的連結。這種解釋稱為「赫布理論」,不僅奠定了神經心理學的發展,更成為現代深度學習的基礎。

然而,赫布理論雖然描述了鄰近神經元的關係,卻無法解釋大腦如何建構出如此複雜的聯想網路。

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霍普菲爾德網路:物理學家對神經網路的貢獻

然而,赫布理論雖能描述神經元之間的關係,卻缺乏數學模型。物理學家約翰·霍普菲爾德從數學家約翰·康威(John Conway)的「生命遊戲」(Game of Life)中獲得靈感,試圖建立一個可以在電腦上運行的記憶系統。

霍普菲爾德受「生命遊戲」啟發,嘗試建立電腦記憶系統。圖/envato

「生命遊戲」由數學家康威(John Conway)發明,玩家開始時有一個棋盤,每個格子代表一個細胞,細胞可以是「活」或「死」的狀態。根據特定規則,細胞會根據鄰居的狀態決定下一次的生存狀態。康威的目的是展示複雜的系統不一定需要複雜的規則。

霍普菲爾德發現,這個遊戲與赫布理論有強大的關聯性。大腦中的大量神經元,在出生時處於初始狀態,經過刺激後,神經元間的連結會產生或斷裂,形成強大的記憶系統。他希望利用這些理論,創造一個能在電腦上運行的記憶系統。

然而,他面臨一個難題:赫布理論沒有明確的數學模型來決定神經元連結的規則。而在電腦上運行,必須要有明確的數學規則。

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物理學的啟發:易辛模型

霍普菲爾德從物理學的研究中找到了類似的模型:易辛模型(Ising Model)。這個模型用於解釋鐵磁性物質的磁性特性。

在鐵磁性物質中,電子具有「自旋」,自旋產生磁矩。電子的自旋方向只有「向上」或「向下」,這就像生命遊戲中細胞的「生」或「死」。鄰近的電子會影響彼此的自旋方向,類似於細胞之間的互動。

易辛模型能用數學描述電子間的相互影響,並通過計算系統能量,得出自旋狀態的分佈。霍普菲爾德借用了這個概念,將神經元的互動視為電子自旋的互動。

他結合了康威生命遊戲的時間演化概念、易辛模型的能量計算,以及赫布理論的動態連結,創造了「霍普菲爾德網路」。這讓電腦能夠模擬生物大腦的學習過程。

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突破瓶頸:辛頓與波茲曼機

約翰·霍普菲爾德於1982年發明聯想神經網路,即「霍普菲爾網路」。圖/wikimedia

然而,霍普菲爾德網路並非完美。它容易陷入「局部最小值」的問題,無法找到系統的全局最優解。為了解決這個問題,加拿大計算機科學家傑佛瑞·辛頓(Geoffrey Hinton)提出了「波茲曼機」(Boltzmann Machine)。

辛頓將「模擬退火」的概念引入神經網路,允許系統以一定的機率跳出局部最小值,尋找全局最優解。他還引入了「隱藏層」的概念,將神經元分為「可見層」和「隱藏層」,提高了網路的學習能力。

受限波茲曼機(Restricted Boltzmann Machine)進一步簡化了模型,成為深度學習的基礎結構之一。這些創新使得 AI 能夠更有效地模擬人類的思維和學習過程。

AI 的未來:跨學科的融合

霍普菲爾德和辛頓的工作,將物理學的概念成功應用於人工智慧。他們的研究不僅解決了 AI 發展的瓶頸,還奠定了深度學習的基礎,對現代 AI 技術產生了深遠的影響。因此,2024 年諾貝爾物理學獎頒給他們,並非意外,而是對他們在跨學科領域的重大貢獻的肯定。

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AI 的發展,離不開物理學、生物學、數學等多學科的融合。霍普菲爾德和辛頓的工作,正是這種融合的典範。未來,隨著科學技術的進步,我們有理由相信,AI 將越來越接近人類的思維方式,甚至可能超越我們的想像。

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AI 破解生命密碼!AlphaFold 3 揭開蛋白質折疊的終極謎團
PanSci_96
・2024/10/07 ・1619字 ・閱讀時間約 3 分鐘

AlphaFold的誕生:人工智慧的奇蹟

2018 年,Google 旗下的 DeepMind 團隊推出了第一代 AlphaFold,這是一款基於深度學習的 AI 模型,專門用於預測蛋白質的三維結構。AlphaFold 的命名取自「fold」一詞,意為折疊,指的是蛋白質在胺基酸鏈構成後迅速摺疊成其功能所需的三維結構。

AlphaFold 的突破在於其能夠預測出蛋白質折疊的可能性,這是一個傳統計算方法無法達到的領域。第一代 AlphaFold 在國際 CASP 比賽中取得了一定的成功,雖然其預測準確度尚未達到實驗室標準,但其潛力讓科學家們充滿期待。

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為什麼蛋白質結構預測如此重要?

蛋白質是生命的基石,它們的功能取決於其複雜的三維結構。然而,僅靠實驗技術來解析蛋白質的結構既昂貴又耗時。過去科學家依賴於如 X 光晶體繞射等技術來解析蛋白質的結構,然而這種方法雖然精確,但往往需要數年時間來得出一個結論。

到目前為止,人類已知的蛋白質數據庫中,全球僅解析了大約 22 萬種蛋白質的結構,這遠遠不足以滿足生物學和醫學研究的需求。尤其是人類的許多蛋白質結構仍然未知,這成為阻礙醫學進步的一個主要瓶頸,特別是在藥物開發和疾病治療上,因此如何加速對蛋白質的結構的解析至關重要。

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AlphaFold 2:技術飛躍

2020 年,AlphaFold 2 橫空出世,改進了多項技術,預測準確度大幅,幾乎達到了與實驗結果相媲美的程度。這一成就震驚了全球生物學界,許多科學家開始將 AlphaFold 2 應用於實際研究中。

AlphaFold 2 的成功源自於其三大技術革新:

  • 注意力機制:模仿人類的思維模式,從大局出發,關注蛋白質結構中的每一個細節,進而提高預測的準確性。
  • 多序列比對功能:通過搜尋類似的胺基酸序列,推斷新的蛋白質結構。
  • 端到端預測模式:利用深度學習神經網路,不斷反饋預測結果,持續優化模型。
AlphaFold 2 預測準確度大幅提升。 圖/envato

AlphaFold 3:下一代 AI 的力量

隨著 AlphaFold 2 的成功,DeepMind 並未停止其腳步。2024 年 5 月,AlphaFold 3 正式推出,這標誌著 AI 技術在生物學領域的又一個里程碑。AlphaFold 3 的改進再次吸引了科學界的目光,它強化了注意力機制,並引入了擴散模型,這使其能夠更快且更準確地預測複合蛋白質的結構。

擴散模型是一項關鍵技術,它能夠生成大量的可能蛋白質結構,並快速篩選出最可能的解答。與此同時,AlphaFold 3 還內建了「減幻覺」功能,這讓其在產生結果時能夠避免過多不切實際的預測,提升了結果的可信度。

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AlphaFold 的實際應用:醫學與藥物開發

AlphaFold 3 的誕生,不僅是一個技術突破,還為醫學和藥物開發帶來了巨大的希望。過去,癌症治療中的標靶藥物需要經過漫長的實驗才能確定其作用原理,然而現在,通過 AlphaFold 的預測,科學家可以更加精確地針對癌細胞中的錯誤蛋白質,設計出更有效的藥物。

除此之外,AlphaFold 3 還在抗病毒藥物、抗生素以及阿茲海默症等領域展現了潛力。其能夠預測蛋白質與其他分子(如DNA、RNA)的交互作用,這使得研發新藥的過程大大加速。

AlphaFold 3 的挑戰與未來

儘管 AlphaFold 3 取得了驚人的進展,但其仍然面臨一些挑戰。首先,目前 AlphaFold 3 的模型尚未完全開源,這限制了研究人員對其內部運作的了解。為此,一些科學家已聯名要求 DeepMind 開放其程式碼,以便進行更深入的研究和應用。

不過,隨著 AlphaFold 3的逐步推廣,生物學家相信它將繼續改變生物學研究的方式。未來,這項技術有望在解決更多未解難題中發揮關鍵作用,並為醫學領域帶來更大的突破。

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