「外腦皮質」：人工想像助力科學研究新突破
人工智慧（AI）曾經彷彿是科幻小說裡的奇幻構想，能讓故事角色輕鬆下達指令，派遣太空船前往鄰近星系。人形AI甚至還能成為孤獨角色的陪伴。如今，在真實的21世紀，AI正逐漸融入日常生活，像是聊天機器人等工具，在回答問題、提升寫作水平以及解決數學方程式等日常任務中都十分實用。
然而，AI更有潛力徹底改變科學研究，其方式雖看似科幻，卻觸手可及。在美國能源部（DOE）的布魯克海文國家實驗室，科學家們已經開始運用AI自動化實驗並發現新材料。他們甚至正在設計一種能用日常語言交流、協助進行實驗的AI科學夥伴。功能奈米材料中心（CFN）的電子奈米材料組組長Kevin Yager，闡述了AI在科學研究中角色的宏偉願景。
他提出的概念稱為科學「外腦皮質」（science exocortex），「exo」代表外部，「cortex」則指人腦的資訊處理層。與簡單的聊天機器人和科學助理不同，概念中的外腦皮質將是人類科學家大腦的延伸。研究人員可以透過對話與之互動，而無需任何侵入式的腦機介面。
Yager表示：「透過軟體實現的外腦皮質，將成為思考、靈感和想像力的新源泉。如果我們正確地設計和構建外腦皮質，與它的互動將如同我們有時從睡夢中醒來或沉思問題時的『啊哈』時刻。你不是去檢視外腦皮質，而是去體驗它。」他將外腦皮質類比為人腦在進化過程中形成的各個層次。經過數百萬年的演化，人腦透過累積新的層次，成為如今的資訊處理傑作，每一層都比前一層更複雜。大腦底部控制著呼吸等基本生存功能，其他更先進的層次則處理越來越複雜的功能，如情緒調節和語言處理。最重要的是，大腦的各個部分協調運作，形成了「人類體驗」。
Yager指出：「從技術上來說，我們現在有潛力為大腦增加一個外部層次，將我們與AI連線起來。就像大腦中相互協調以產生所謂智慧的專門區域一樣，外腦皮質將整合個性化的AI能力，以解決問題或激發創造力。」
下圖展示了研究人員與其外腦皮質之間，以及構成外腦皮質的各個AI代理之間的資訊流動方式。在這個例子中，一位材料科學家向外腦皮質詢問有關電池材料的問題。然後，外腦皮質促使組成它的各個AI解決該問題，每個AI都貢獻自己的專業知識。這些示例互動只是冰山一角，實際的對話將更加長且複雜。（圖片來源：Kevin Yager/布魯克海文國家實驗室）
與普通的單一AI系統聊天機器人相比，外腦皮質將是由數十個AI代理組成的集合，這些代理根據研究人員的個人需求進行定製。每個代理都經過訓練，能夠執行特定的科學相關任務。例如，一個科學文獻代理可以篩選已發表的論文，為實驗找到最佳方案，而另一個AI代理則收集和分析正在進行的實驗資料。其他代理還可以啟動實驗或模擬、將研究結果與先前的研究進行比較，甚至為後續實驗提出想法。
所有代理的任務將同時協同進行，無需人工幹預，最終為人類研究人員帶來新的見解。Yager提出的外腦皮質的一個設計特點是，AI代理之間將用簡單的英語進行交流。這將使科學家能夠研究和審查導致特定AI結果的決策鏈，為評估準確性和實施工程控制提供必要的機會。
Yager表示，構建外腦皮質的任務十分艱巨，全球科學家應共同努力，這樣每個研究小組都可以利用自己的專長設計新的代理。理想情況下，科學家們有一天將擁有一個「應用商店」，可以從中下載增強自己外腦皮質能力的AI代理，就像下載新應用程式可以增加手機功能一樣。個別的AI「應用程式」也可以高效地更新和替換。
Yager解釋說：「我預計會看到一種倍增效應。隨著科學家們同時改進個別AI和基礎外腦皮質技術，外腦皮質的能力可能會比人們預期的增長得更快。」當然，要讓外腦皮質成為現實並不容易。雖然科學家們已經設計了大量能夠與使用者互動並完成特定任務的AI，但構建一個能夠相互互動的AI網路是一個全新的挑戰。
Yager預計每個AI代理都需要訪問其他代理及其專業能力的「目錄」，以便它們能夠傳送描述自己工作的訊息，並解釋需要其他AI代理提供什麼幫助。Yager說：「目前還沒有人知道如何做到這一點。其中一個挑戰是確定代理的理想組織方式。是應該像公司運作那樣，建立一個有主管、領導和員工的層級結構？還是應該更加靈活，讓AI自己安排工作流程？目前沒有明確的答案，這也是我們正在研究的有關外腦皮質設計的一個令人興奮的研究問題。」
外腦皮質的最終輸出將是一系列決策、規劃、執行、驗證和總結的結果，而不是生成式聊天機器人輸出的簡單文字。AI代理之間的交流和外腦皮質的結構促進的這種額外迭代，最終將改善輸出結果，使AI更加智慧。
Yager和他的同事目前正專注於在CFN構建一個外腦皮質，以加速奈米科學研究。CFN是布魯克海文實驗室的美國能源部科學辦公室使用者設施。Yager表示：「在CFN，我們努力為使用者提供最前沿的資源，幫助他們進行富有成效的實驗。我們認為整合AI的方法具有巨大的價值，並且已經在特定實驗中實施了利用AI的機器人平臺和自主實驗。我們正在為CFN設計外腦皮質，但我們也希望在布魯克海文實驗室和更廣泛的科學界戰略性地實施它。」
物理科學特別適合測試像外腦皮質這樣的新AI概念，因為科學家在設計AI代理時可以利用現有的資料和軟體。此外，這些領域有明確的成功指標，這意味著科學家有嚴格的定義來確定AI工具是否達到目標。外腦皮質當然不會侷限於物理科學應用，它可能會促使科學界廣泛提供資料、自動化工具和出版物，以供外腦皮質訪問和利用。
Yager說：「我預計外腦皮質將引入一個良性迴圈，既激勵又促進開放科學。外腦皮質的輸出，從資料到新的科學工具，都將廣泛可用，甚至有可能在世界任何地方對CFN的實驗進行操作。」Yager指出：「生成式聊天機器人在很多方面已經拉平了競爭環境，比如它們能夠翻譯和解釋科學術語。我希望看到更多不同背景的群體因為外腦皮質而參與到科學研究中。」
Yager甚至預計，類似外腦皮質的東西可能會在未來五年內融入日常生活。最初可能透過電腦或智慧手機訪問，但將外腦皮質整合到眼鏡或手錶等可穿戴裝置中，可能也並不遙遠。個人外腦皮質可能不會只是激發科學實驗的靈感，還能同時協調許多日常任務。根據主人想與朋友重聚的願望，外腦皮質可以安排約會、預訂咖啡，並呼叫車輛前往最喜歡的咖啡館。或者它可以在最少的人工幹預下規劃一次複雜的旅行，包括航班、酒店、行程和餐廳預訂，因為外腦皮質瞭解使用者的習慣和偏好。
Yager說：「現在的聊天機器人看起來只是有點智慧，但這種智慧水平如果融入一個人的生活，可能會非常強大。」外腦皮質尚未到來，但一個由Google的Notebook LM生成的播客，其中兩個AI討論了Yager的外腦皮質論文，讓人們對有外腦皮質的生活有了一絲遐想。Yager解釋說：「AI播客主持人強調的重點與我不同，但後來我意識到，觀察我的工作如何適應不同的學習風格或受眾是多麼有趣。」
Yager設想：「想像一下，你早上醒來，外腦皮質中的一個AI向你解釋它昨晚閱讀的所有論文。它可以以非常對話式的方式讓你瞭解你研究領域的最新動態。你甚至可以打斷它，要求對某個特定部分進行更深入的解釋。」這種體驗與傳統的閱讀印刷科學論文並在邊緣做筆記的方式截然不同，後者仍將是研究的重要組成部分。但對於那些傳統上面臨障礙的人來說，使用外腦皮質來研究科學和其他複雜學科可能會是一個重大的改變。
Yager表示：「我們正在進入一個具有巨大潛在利益的未知領域，不僅對奈米科學，對其他領域也是如此。但這不是一個人能完成的，我們需要一個群體共同努力。」
