铸星闪耀 | 肖立:用人工智能解谜生物学与物理学的科研密码

2021-08-09 | 作者:微软亚洲研究院

编者按:

微软亚洲研究院“铸星计划”旨在发掘和助力新一代青年学者,使其成为科研创新能力突出、走在世界科技前沿的学术带头人。

无论是与领域内顶尖研究员合作的机会,还是最新、最丰富的数据集和强大的支持资源,抑或是产业界独有的实际应用场景,都吸引着青年才俊们来到 MSRA 探索领域内前沿新知。

年轻、开拓、探索,是铸星计划的关键词;合作、创新、成就,是每个学术新星发光闪耀的必经之途。通过微软亚洲研究院“铸星计划”,来自中国科学院的肖立老师如何通过学科间的多元碰撞,做出了有影响力的研究?

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用物理学知识研究生物学问题、将计算机技术应用于分子动力学建模、用 AI 解决物理问题……在中国科学院计算技术研究所副研究员肖立的研究世界里,交叉学科背景提供了扎实的知识基础与多元的研究视角,跨领域对话交流则是他研究灵感的不竭来源。

为期三个月的“铸星计划”访问,为肖立开启了接触不同研究方向、与多元背景的研究员探讨交流的丰富机会。那个最初为肖立敲开“铸星计划”访问大门的研究构想,在微软亚洲研究院提供的研究沃土上发芽抽枝,结出了令他惊喜的更多硕果。

肖立

跨学科对话开拓知识边界

微软亚洲研究院副院长刘铁岩曾提出“主动的学术转型”,“解决原有学科面临的挑战,是刺激我去研究新方向的主要动因。”刘铁岩将这种学术转型行为的目的阐释为扩大知识面、开拓学术边界、提升实践价值。“铸星计划”的初心之一,正是通过微软亚洲研究院提供的资源与平台,为青年学者提供跨学科交流、探索学术转型的广阔空间。

早在 2019 年,肖立就与微软亚洲研究院首席研究员秦涛有了交流,而正式申请“铸星计划”,则是因为肖立发现自己的学术经历与“铸星计划”的理念非常契合:从清华大学数理基科班到国外求学生物工程方向,再到中科院计算技术研究所从事智能医疗、医疗影像方面的应用研究,肖立的科研历程糅合了物理学、生物学、计算机等多个学科领域的知识基础;而每一次跨向另一个学科的尝试脚步,都能看到肖立主动趋近学术边界、寻求新答案的努力。

“我读本科时,学界还没有太多关于人工智能的概念,但我自己粗糙地意识到,或许模拟人脑神经元联络能作为解决问题的思路。”读博期间,肖立利用物理学知识建模、进行蛋白质模拟等相关研究,进一步树立了利用计算机技术、人工智能等工具解决问题的研究取向。

“我意识到物理模型的最终应用,可能仍需要 AI 作为驱动力。”怀揣着用 AI 为各个学科解决问题的兴趣,肖立认为,自己加入“铸星计划”是一件自然而然的事情,“MSRA 有计算机领域的能力和优势,能为学者提供广阔的探索空间。”

肖立在铸星论坛中作报告

在 2020 年的铸星论坛上,刘铁岩提出“用计算机解谜生物密码”,肖立对此印象深刻。刘铁岩也鼓励不同组的研究员互相交流、交叉合作,在秦涛研究员的牵头和介绍下,肖立与微软亚洲研究院高级研究员邵斌建立联系并结为“星搭档”,并在“铸星计划”访问期间与图形学、生物学、物理、计算机等不同研究背景的研究员开展了丰富的对话讨论。

“不同学科的人关注点不同,讨论能让各领域的需求碰撞出新的火花。”肖立说,“铸星计划”提供了和 MSRA 研究员充分交流的机会与空间,“共性问题被提炼出来,就能成为有价值的科研课题。”

留待开拓的共性问题,有的来自共享的基础理论,有的出于现实应用开发需求。在微软亚洲研究院,这些探索理论或开发迭代的空间,为计算机技术应用产业界、拓展学界知识范围提供了绝好机会。“一个项目背后,很可能是和不同的人碰过的几十上百次讨论。”肖立说,铸星计划的“星平台”为青年学者和研究员们提供了交汇多元学科知识和优势互补的机会。

 

多个科研项目齐探索,“火花”连连

对肖立来说,“铸星计划”为他带来的,除了产出一篇论文的量化成果,以及在“星平台”之上进行跨学科交流,切实的合作项目也在逐个开启:从博士研究老本行的 AMBER 软件,到玻尔兹曼系统采样方式增加的探索,再到 AI 解通用方程的理论拓展尝试,肖立在“星”平台上挖掘出了更丰富的“星”可能。

肖立与合作研究员邵斌(左二)、王童(左一)

 “我博士的时候就是做这个的!”

与邵斌交流研究重点时,肖立意外地发现邵斌的研究课题与自己博士期间的研究工作“异曲同工”——肖立博士所在团队开发了分子动力学领域的世界顶级模拟软件 AMBER,邵斌团队则从计算机系统出发、向生物学领域靠拢,试图解决 AMBER 软件运行的优化问题。

“我在博士毕业之后的研究方向转变为智能医疗等应用研究,但一直对用 AI 解决蛋白质问题抱有很大兴趣。”肖立说,在“铸星计划”机缘之下得以与感兴趣的 AMBER研究“久别重逢”,这让他感到十分兴奋。“我一直觉得计算机技术作为一种高效率的工具和方法,对解决 AMBER 的开发难题很有价值。”

肖立与邵斌一拍即合,迅速确定了铸星选题之一:利用组内研究员的图形学背景,实现 AMBER 软件的加速分析。肖立与合作研究员刘天添尝试通过图形学仿真加速方法,实现使 AMBER 软件的模拟过程加速若干倍的效果,“这对整个领域来说都将是一件令人兴奋的事。”肖立说,“目前,这项成果已即将整理成稿 JCTC,我们正在进行系统优化并准备开源到 AMBER 平台。”

此外,肖立的分子动力学背景,还与邵斌的系统学背景、研究员王童的生物学背景碰出了新的火花。“我们共同延续了 2019 年发表在 Science 上的一项工作,希望通过探索对玻尔兹曼系统增加采样方式。”

这项合作同样是将计算机技术应用于生物学研究,希望通过深度学习的方式提高分子动力学预测和搜索的效率。研究希望未来能够实现构象空间低成本采样,应用到高效的药物筛选、药物-靶标机理研究等相关领域,有望产出 CNS 级别的文章。

AI 可以解决应用需求,也可以助力理论拓展——怀着这样的念头,肖立又在 MSRA 开启了“AI for Physics”的探索和尝试。在日常跨学科交流中,肖立发现用 AI 解纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)是许多研究领域的共有需求。宏观至天体亿万年间的漫长演变,微观至分子须臾不停的相互作用,“都有利用 AI 解流体问题的研究空间。”

目前,相关研究构想雏形初步形成。肖立说,希望未来能够构建基于 AI 的快速稳定的流体动力学模拟工具并部署到微软云平台,服务于微观分子动力到宏观天体演变等不同尺度不同领域的前沿研究,突破传统数值方模拟法效率低、稳定性差的共性瓶颈问题。这成为肖立在“铸星计划”中与 MSRA 碰撞出的又一个“火花”。

 

落地实际,追求现实影响

“微软亚洲研究院提供了非常好的研究氛围与环境。”谈及“铸星计划”中感触最深的体验,肖立脱口而出。他认为,对年轻的研究者来说,微软亚洲研究院鼓励合作、鼓励自由探索的环境,“对讨论的发生、新灵感的萌发来说,都是极其珍贵的。”

肖立与刘铁岩博士(右一)

肖立的访问以及确立与推动课题,离不开微软亚洲研究院和中科院计算技术研究所的双重支持。“在跨学科的交流中,实现知识边界的拓展,对整个产业乃至社会产生影响和推动力”,这是刘铁岩副院长对研究员和访问学者们的期许。肖立对此感触极深,“大家都希望尽可能探索到对整个社会产生影响、推动领域进步的话题,做真正有影响力的研究。”

肖立所在的中科院计算技术研究所也秉持相同理念,鼓励教师与研究员自主向外交流,发掘合作机会,并推动研究落地、解决现实问题,在实践中实现学术上的成长。正因如此,肖立在计算技术研究所期间将研究精力主要投入医疗影像、医疗信息化建设领域,开发智能图像分析系统,为提高临床诊断准确性助力。“在这边开展的研究与我在计算所本身的研究是互补互助的。”肖立相信,自己在 MSRA 取得的研究进展,也会给计算所带来新的实践启发。

在微软亚洲研究院,肖立不仅得以毫无障碍地与各个研究组的研究员交流讨论,也在合作开展的不同课题中与生物学、物理学、材料学等不同背景的实习生交流碰撞、教学相长。多层次的跨学科对话背后,依托于每个交流者都立足自己的研究领域,具有个人研究兴趣与专长。也正因此,肖立建议申请“铸星计划”的青年学者应立足研究领域,挖掘自己专长与特色优势。“这样才能更好地利用研究院的平台”,肖立说。

                                               肖立与邵斌(右三)、铸星计划项目经理石贝贝(左四)及合作研究员等合影

三个月的铸星之旅结束,而对肖立来说,他与微软亚洲研究院的合作机缘才刚刚开启。访问结束后,肖立将以不同的身份与微软亚洲研究院长期合作,延续铸星计划期间结下的合作机缘,访问期间确立的课题也将进一步推动。

“铸星计划”所带来的进一步人才培养与学术合作机会,也将为肖立和更多青年学者打开更广阔的科研可能。

 

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