从文字到轨迹：麻省理工学院的AI用语言帮助机器人完成复杂的导航任务

摘要：麻省理工学院和麻省理工学院-IBM 沃森人工智能实验室的研究人员开发出一种新颖的人工智能导航方法，可将视觉数据转换为语言描述，帮助机器人完成复杂的导航任务。这种方法使用大型语言模型生成合成训练数据，并根据语言输入做出导航决策。虽然这种方法并不优于基于视觉的模型，但它具有资源密集度较低、更容易适应各种任务和环境的优势。 也许有一天，您会希望家用机器人把脏衣服搬到楼下，然后放进地下室最左侧角落的洗衣机里。机器人需要结合您的指示和它的视觉观察来确定完成这项任务的步骤。对于人工智能代理来说，这说起来容易做起来难。目前的方法通常利用多个手工制作的机器学习模型来处理任务的不同部分，这需要大量的人力和专业知识来构建。这些方法利用视觉表征直接做出导航决策，需要大量的视觉数据进行训练，而这些数据往往很难获得。为了克服这些挑战，麻省理工学院和麻省理工学院-IBM 沃森人工智能实验室的研究人员设计了一种导航方法，将视觉表征转换为语言片段，然后将其输入一个大型语言模型，从而实现多步骤导航任务的所有部分。他们的方法不是将机器人周围环境图像中的视觉特征编码为视觉表示（这需要大量计算），而是创建描述机器人观点的文字说明。一个大型语言模型利用这些文字说明来预测机器人为完成用户的语言指令而应采取的行动。由于他们的方法纯粹利用基于语言的表征，因此可以使用大型语言模型高效生成大量合成训练数据。虽然这种方法并没有超越使用视觉特征的技术，但在缺乏足够视觉数据进行训练的情况下，它的表现却很出色。研究人员发现，将基于语言的输入与视觉信号相结合可以提高导航性能。"通过纯粹使用语言作为感知表征，我们的方法更为直接。因为所有的输入都可以编码成语言，所以我们可以生成人类可以理解的轨迹，"电子工程与计算机科学（EECS）研究生、有关这种方法的论文的第一作者潘博文（Bowen Pan）说。潘的合著者包括他的顾问、麻省理工学院苏世民计算机学院战略行业参与主任、麻省理工学院MIT-IBM沃森人工智能实验室主任、计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）高级研究科学家奥德-奥利瓦（Aude Oliva）；电子工程科学副教授、CSAIL成员菲利普-伊索拉（Philip Isola）；资深作者、电子工程科学助理教授、CSAIL成员金允（Yoon Kim）；以及麻省理工学院MIT-IBM沃森人工智能实验室和达特茅斯学院的其他人员。这项研究将在计算语言学协会北美分会会议上发表。用语言解决视觉问题潘说，由于大型语言模型是目前最强大的机器学习模型，因此研究人员试图将它们融入称为视觉语言导航的复杂任务中。然而，这类模型采用文本输入，无法处理来自机器人摄像头的视觉数据。因此，团队需要找到一种使用语言的方法。他们的技术利用一个简单的字幕模型来获取机器人视觉观察的文字描述。这些文字说明与基于语言的指令相结合，并输入一个大型语言模型，由该模型决定机器人下一步应采取的导航步骤。大语言模型会输出机器人在完成该步骤后应该看到的场景说明。这将用于更新历史轨迹，以便机器人能够追踪到自己曾经到达过的地方。为了简化这一过程，研究人员设计了模板，以便将观察信息以标准的形式呈现给模型--即机器人可以根据周围环境做出的一系列选择。例如，标题可以是"在你左侧 30 度的地方有一扇门，门边有一盆植物，在你的后面有一间小办公室，里面有一张桌子和一台电脑"等等。由模型来选择机器人应该向门还是向办公室移动。潘说："最大的挑战之一是，如何以适当的方式将这类信息编码成语言，让代理了解任务是什么，以及他们应该如何回应。"语言的优势在对这种方法进行测试时，他们发现这种方法虽然无法超越基于视觉的技术，但却具有一些优势。首先，与复杂的图像数据相比，文本合成所需的计算资源更少，因此他们的方法可用于快速生成合成训练数据。在一次测试中，他们根据 10 个真实世界的视觉轨迹生成了 10000 个合成轨迹。该技术还能弥补在模拟环境中训练出来的代理在真实世界中表现不佳的缺陷。这种差距经常出现，因为计算机生成的图像会因光照或颜色等因素而与真实世界的场景大相径庭。但潘说，描述合成图像与真实图像的语言就很难区分了。此外，他们的模型所使用的表述方式也更容易被人类理解，因为它们是用自然语言编写的。"如果代理未能达到目标，我们可以更容易地确定它在哪里失败以及失败的原因。也许历史信息不够清晰，或者观察结果忽略了一些重要细节，"潘说。此外，他们的方法可以更容易地应用于不同的任务和环境，因为它只使用一种类型的输入。只要数据可以编码成语言，他们就可以使用相同的模型，而无需做任何修改。但缺点之一是，他们的方法自然会丢失一些基于视觉的模型所能捕捉到的信息，如深度信息。然而，研究人员惊讶地发现，将基于语言的表征与基于视觉的方法相结合，可以提高代理的导航能力。他说："也许这意味着语言可以捕捉到一些纯视觉特征无法捕捉到的更高层次的信息。"这是研究人员希望继续探索的一个领域。他们还希望开发一种以导航为导向的字幕机，以提高该方法的性能。此外，他们还想探究大型语言模型表现出空间意识的能力，看看这将如何帮助基于语言的导航。编译自/ScitechDailyarXiv:2310.07889 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442605.htm

人类生命何时算是真正开始？哈佛科学家探索新视角

摘要：关于人类生命起始的争论有着深刻的哲学根源，但直到最近，这些争论还受到现有技术的限制。哈佛大学的研究人员对人类生命的开始提出质疑，强调 14 天胚胎阶段的关键性，这受到新的科学和老龄化研究见解的影响。 出生证明一般将孩子的生命定义于于出生时，即从母亲的子宫中娩出之时。然而，哈佛大学医学院的研究人员 Polina A. Loseva 和 Vadim N. Gladyshev 在《衰老》（Aging）杂志上发表的一篇新评论中提出了一个有争议的问题：人的生命从何时开始？科学给出了多种答案--这取决于人们如何定义人的生命。1984 年，一个关于人类胚胎实验监管框架的委员会选择不回答这个问题，而是设定了一个界限，即受精后 14 天内禁止进行任何实验。人类胚胎发生年表，显示发育阶段和不同生命特征的出现。图片来源：2024 Loseva 和 Gladyshev最近，随着生殖技术的发展和对实验的需求日益强烈，这一界限可能会被搁置，由地方监督委员会做出最终决定。虽然科学还没有接近确定人类生命的零点，但我们对哺乳动物早期胚胎发育的了解已经取得了重大进展。我们已经清楚地认识到，14 天阶段确实具有一些特征，使其成为发育中人类的一个基础时间点。重要的是，这一阶段确定了体细胞与生殖细胞的分离，标志着返老还童与衰老之间的界限。"我们探讨了不同层次的生命组织是如何在人类发育过程中出现的，并为生物生命的 14 天阶段提出了一个新的含义，这个含义是以最近的机理进展和衰老研究的见解为基础的"。编译自/ScitechDaily 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442604.htm

化石记录在变化 人类活动使科学家更难解读海洋的过去

摘要：最近的研究表明，人类活动正在极大地改变海洋生物的保存方式，从而产生既能增强化石记录又能使其退化的持久影响。佛罗里达自然历史博物馆无脊椎动物古生物学汤普森主席 Michal Kowalewski 说："我们不仅在改变环境，也在改变记录这些信息的记录的性质。这些变化既可能是好事，也可能是坏事。一方面，人类活动会阻止化石记录保存有关持续变化的有用信息。在其他情况下，人类活动实际上可以提高目前正在形成的化石记录的质量，从而提供更多的信息。" 新研究强调了海底拖网等人类活动如何改变海洋化石，影响化石记录的保存和解释。这些变化可能会掩盖对保护至关重要的历史数据，从而强调了在地质研究中区分自然和人为影响的方法的必要性。图片来源：佛罗里达博物馆，克里斯汀-格雷斯拍摄如果不加以适当考虑，这些对化石记录的影响会导致对保护工作至关重要的数据被误读。早在人类开始系统地研究生态系统之前，他们就已经开始改变生态系统了。在许多地方，科学家要想知道一个生态系统在人类到来之前是什么样子，唯一的办法就是回顾最近的化石记录。科瓦尔斯基说："我们在保护中利用化石来了解从自然、原始环境到我们今天所处环境的转变过程。当科学家们知道一个退化的生态系统在被改变之前是什么样子时，他们就知道在试图恢复它时应该以什么为目标。"科瓦列夫斯基和他的同事专门研究海洋古生态学，他们共同撰写的研究报告重点关注世界海洋中的化石床。作者说，在这些环境中，有几个相互关联的因素影响着化石的形成，包括沉积物在海底堆积的速度、动物在沉积物中钻洞的程度、遗骸被掩埋的深度以及某些化石随着时间的推移分解的速度。所有这些因素都可能而且已经受到人类的影响。在底拖网作业中，渔网沿着海底拖动，混合并搅动沉积物，为沉积物注入氧气，从而分解有机残留物。据估计，在全球范围内，底拖网捕捞向水体中排放的沉积物与世界上所有河流沉积到海洋中的沉积物一样多。人类对海洋生物保护的各种影响以复杂的方式相互作用，使科学家很难将它们区分开来。图片来源：Nawrot 等人，2024 年这项研究的第一作者、维也纳大学古生物学家拉法尔-纳沃罗特（Rafal Nawrot）说："在研究这项研究时，我很惊讶底拖网捕捞的影响如此广泛。纳沃特研究的是上个冰河时期以来海洋生态系统发生的变化，在这一领域，了解有助于或阻碍化石形成的各种因素至关重要。"他讲述了一项研究，在这项研究中，他和同事发现钻入海底的沉积物岩芯中明显缺乏大型贝壳。"鉴于我们现在对我们工作的一些地区拖网捕捞强度的了解，这种模式可能只是海底拖网清除它们的伪影。"人类行为的意外后果化石记录的改变也可能是间接的。人类活动造成的局部物种灭绝和入侵物种的引入既可以阻止化石化过程，也可以改善化石化过程。作者举了红帝王蟹（堪察加拟石蟹，Paralithodes camtschaticus）的例子，这种蟹在 20 世纪 60 年代被有意引入俄罗斯和芬兰之间的巴伦支海。在那里，它们几乎没有天敌，因此数量激增。红帝王蟹的爪子几乎能抓到任何东西就吃，并能捏碎猎物的外壳。这导致穴居无脊椎动物的数量急剧减少，而穴居无脊椎动物能为沉积物充氧。较少的穴居生物意味着沉积物中较少的氧气，这意味着更好的保存。但是，更多的螃蟹啃咬贝壳，就意味着能够保存下来的贝壳更少了。如果没有正确的历史背景，未来的古生物学家在试图理清这一系列事件时可能会一筹莫展。这些变化和其他人类驱动的变化可能特别难以解释，因为它们模仿侵蚀或物种迁移等自然过程。在某些情况下，人类活动可能会完全抹去化石档案，或者在环境中添加成吨的外来物质，从而扰乱研究工作。"某些过程根本不会自然发生，比如海滩补给，"科瓦尔斯基说。当海滩的一部分被飓风或上升的海平面冲走时，当地政府通常会花钱雇船将泥沙从自然侵蚀微乎其微的深水环境中拖到海岸线上，包括化石在内。在其他情况下，化石本身就是搬迁的目标。科瓦尔斯基说："生活在数十万年前的牡蛎可能会被从一个区域移除，然后添加到另一个区域的现代海底，以促进现今牡蛎礁的恢复。"那么，科学家该如何开始厘清影响化石形成的各种自然和人为力量呢？纳夫罗特说，这很复杂。"这取决于研究的目标，但有一些方法可以规避这些问题。"放射性碳年代测定法是近来比较可行的一种方法。科学家用这种方法来估算相对较年轻化石的年龄，但直到最近，高昂的成本意味着这种方法只能很少使用。在分析现代海底钻取的沉积物岩芯时，顶部的生物可能比底部的生物年轻数千年，研究人员通常只选择几块化石进行放射性碳测年。这虽然提供了可靠的信息，但分辨率较低，而且如果沉积物在不知情的情况下被海底拖网混入，结果可能会产生误导。"除非在每层取多个样本，否则你不会意识到这个问题，而这种方法并不普遍。我们认为应该更多地采用这种方法，"纳夫罗特说。研究人员还需要更有创造性地使用统计分析来解释数据。这些方法的开发和测试都需要时间，但它们正慢慢变得越来越普遍，科学家们正逐步接近更好地理解人类如何影响地球上生命的历史档案。科瓦尔斯基说："地质记录的变化可能是人类活动的指纹，其本身也可能揭示出生态系统的历史。"编译自/ScitechDaily 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442603.htm

大型强子对撞机的光束管道接近揭开磁单极子的秘密

摘要：利用欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）退役的一段束管进行的新研究，让科学家们比以往任何时候都更接近于检验磁单极子是否存在。诺丁汉大学的科学家与一个国际团队合作，揭示了迄今为止对磁单极子存在的最严格限制，突破了人们对这些难以捉摸的粒子的认知界限。他们的研究成果发表在8月15日的《物理评论快报》上。 一组物理学家利用退役的大型强子对撞机束管探索了磁单极子的存在。尽管没有发现单极子，但他们的研究为这些难以捉摸的粒子提供了重要的制约因素，有可能为物理学研究开辟新的途径。欧洲核子研究中心理论基础和研究重点在粒子物理学中，磁单极子是一种假设的基本粒子，它是一块孤立的磁铁，只有一个磁极（一个北极而没有南极，反之亦然）。诺丁汉大学物理和天文学学院多萝西-霍奇金研究员奥利弗-古尔德是这项研究的首席理论家，他说："会不会存在只有一个磁极（南磁极或北磁极）的粒子？著名物理学家皮埃尔-居里、保罗-狄拉克和约瑟夫-波尔钦斯基都曾倡导过这种引人入胜的可能性，它一直是理论物理学中最吸引人的谜团之一。证实它们的存在将对物理学产生变革性的影响，然而迄今为止，实验探索却一无所获。"实验装置和方法研究小组重点搜索了欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的一段退役束管。这项研究由大型强子对撞机（MoEDAL）实验的单极和外来物探测器的物理学家进行，他们检验了位于紧凑渺子螺线管（CMS）实验粒子碰撞点的一段铍束管。该管道经受了数以亿计的超高能离子碰撞产生的辐射，而这些碰撞就发生在几厘米之外。"束管靠近超相对论重离子的碰撞点，为探测具有空前高磁荷的单极子提供了一个独特的机会，"在阿拉巴马大学奥斯特洛夫斯基教授的 MoEDAL 小组工作期间领导实验分析的博士生 Aditya Upreti 解释说。"由于磁荷守恒，单极子无法衰减，预计会被管道材料捕获，这使我们能够利用对磁荷直接敏感的设备可靠地搜索它们。"成果与未来方向研究人员在大型强子对撞机的重离子对撞中研究了磁单极子的产生，对撞产生的磁场甚至比快速旋转的中子星的磁场还要强。如此强烈的磁场可能导致通过施温格机制自发产生磁单极子。奥利弗补充说："尽管这是一段注定要废弃的旧管道，但我们的预测表明，它可能是地球上最有希望找到磁单极子的地方。"MoEDAL 合作小组使用超导磁力计扫描光束管，寻找被困磁荷的特征。虽然他们没有发现磁单极子的证据，但他们的结果排除了轻于80 GeV/c²（其中c为光速）的单极子的存在，并为2至45个基本单位的磁荷提供了世界领先的约束条件。奥利弗总结说，研究小组现在计划扩大搜索范围："我们使用的束流管来自大型强子对撞机的首次运行，该运行是在2013年之前以较低的能量进行的。将研究扩展到更高能量的最新运行，可以使我们的实验范围扩大一倍。我们现在还在考虑完全不同的磁单极子搜索策略。"编译自/ScitechDailyDOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071803 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442602.htm

科学家在在远古单细胞生物体中发现神经系统的基石：离子通道

摘要：最近的一项研究改写了人们对神经系统中电信号转导所必需的关键蛋白质的进化史的传统认识。宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行的这项研究揭示，在所有动物的共同祖先出现很久以前，微小的单细胞生物体中就存在众所周知的蛋白质家族--Shaker家族中的钾离子通道。 这表明，这些离子通道并非像以前认为的那样与神经系统一起进化，而是在神经系统起源之前就已经存在。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学副教授、研究小组组长蒂莫西-杰格拉（Timothy Jegla）说："我们往往认为进化是朝着越来越复杂的方向单向前进，但自然界往往并非如此。例如，人们认为随着不同种类动物的进化，神经系统变得越来越复杂，离子通道也随之出现并多样化，以适应这种复杂性。但我们的研究表明，事实并非如此。我们之前已经证明，最古老的动物，即那些神经网简单的动物，其离子通道的多样性最高。这项新发现增加了越来越多的证据，证明神经系统的许多构件在我们的原生动物祖先--甚至在神经系统出现之前就已经存在了。离子通道离子通道位于细胞膜中，调节称为离子的带电粒子如何进出细胞，这一过程产生电信号，而电信号是神经系统交流的基础。从人类到小鼠和果蝇等多种动物体内都存在摇床离子通道家族，它们专门调节钾离子如何流出细胞，以终止称为动作电位的电信号。这些通道可以根据电场的变化打开或关闭，就像计算机芯片中的晶体管一样。杰格拉说："我们对离子通道如何在分子水平上工作的了解，大部分来自对Shaker离子通道家族的机理研究。我们以前认为，电压门控钾通道的Shaker家族只存在于动物体内，但现在我们发现，编码这个离子通道家族的基因存在于动物的近亲--一类叫做领鞭毛虫的单细胞生物--的多个物种中。"研究人员此前曾在两种领鞭毛虫中寻找这些基因，但没有找到。在目前的研究中，他们将搜索范围扩大到了 21 种拟甲藻，并在其中 3 种拟甲藻中发现了振动器家族基因的证据。在整个动物王国中，Shaker家族有多个离子通道亚家族或类型。研究小组之前发现，梳状水母--被认为与最早的动物神经系统类似，具有相对简单的"神经网"--只有其中一种类型，称为Kv1，这让研究小组认为，动物的共同祖先可能只有Kv1，其他类型是后来进化而来的。然而，杰格拉及其同事发现，领鞭毛虫体内的振动器家族基因与Kv2、Kv3和Kv4类型的关系更为密切。杰格拉说："我们原以为2至4型通道的进化时间较近，但我们的新工作表明，在领鞭毛虫体内发现的Kv2-4类通道实际上是最古老的亚型。"此外，这一发现还表明，在动物家族树的基部存在多种亚型，包括在梳水母中发现的 Kv1 和在领鞭毛虫中发现的 Kv2-4 类通道。杰格拉补充说："Kv2-4-like基因在梳水母和海绵等最早的动物群体的后代中丢失了，所以我们之所以知道它们存在于最早的动物中，唯一的原因就是要归功于领鞭毛虫。基因缺失在进化过程中确实很常见，与新基因的进化一样常见，但很难发现。现在，基因测序技术已经足够便宜，科学家们可以对物种进行广泛采样，而不是只研究几个有代表性的物种，我们可以检测到更多的基因丢失，这将改变我们对许多基因家族最初是如何进化的看法。"杰格拉指出，这项工作还增加了越来越多的证据，证明神经系统的许多元素在整个神经系统进化之前就已经存在，我们在电信号中使用的大多数功能重要的蛋白质，它们是神经元通信和神经肌肉运动的基础，都是基于动物之前就存在的蛋白质。看来，动物能够在进化早期就拼凑出功能正常的神经系统，仅仅是因为大多数必要的蛋白质已经存在。了解这些离子通道是如何进化的有助于我们了解它们是如何发挥作用的，这反过来又可能对治疗与离子通道功能障碍有关的疾病（如心律失常和癫痫）产生影响。编译自/ScitechDaily 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442601.htm

SpaceX在第五次发射前测试“星际飞船”最大、最危险的机动动作

摘要：在等待美国联邦航空管理局（FAA）批准其第五次"星际飞船"测试飞行计划的同时，SpaceX公司正忙于测试其发射台和塔臂，以尝试在第五次飞行后接住232英尺高的"超重型"火箭助推器。 即将进行的"星际飞船"测试将是首次尝试高风险的塔架接力，SpaceX 在本月早些时候提供的最新"星际飞船"更新中表示，将在美国联邦航空局评估其"星际飞船"第 5 次飞行测试申请的这段时间内继续对这一程序进行微调。今年 6 月，当 SpaceX 将一块火箭助推器运送到发射台时，它首次开始测试发射塔的臂膀，以便接住助推器。在这些测试中，发射塔臂（也称为筷子）反复撞击圆柱体的两侧，团队试图模拟成功接住助推器。据当地媒体报道，在这次测试之后，其中一个塔臂被更换，测试也随之放缓，SpaceX 将重点转移到了第二级"星际飞船"上。现在，在等待美国联邦航空局批准星际飞船第五次升空的同时，SpaceX 已经恢复了对塔臂的测试，以进行这次冒险的接力尝试。本周早些时候，SpaceX 将助推器运到发射台，并用臂进行了测试，然后将其从塔架上取下，并于今天早些时候将其送回生产和组装设施。来自当地媒体的录像显示，在最近一次运行中，塔臂至少进行了六次测试。其中几次是模拟在助推器上方进行的测试，其他测试则是塔臂在不撞击助推器的情况下尽量靠近圆柱体。在德克萨斯州可以看到 SpaceX 的全套星际飞船堆栈。图片：SpaceX/X第五次"星际飞船"测试可能在本月底或九月初进行，在此之前，火箭的第二级已经进行了多次静态点火。尽管已经进行了四次全堆栈飞行，但 SpaceX 还没有展示过第二级在轨发动机点火。如果塔架接力和发动机点火都能成功，那么 SpaceX 将扫清火箭研发过程中的几道技术关卡。在最近的塔架抓取测试中，SpaceX 还测试了机械臂的垂直运动，当助推器放在机械臂之间时，机械臂上下移动。在其他测试中，火箭臂绕着火箭部件收拢，在某些测试中，火箭臂同时运动，而在其他测试中，只有一个火箭臂靠近柱体。星际飞船第 4 次飞行是超重型助推器和第二级飞船首次成功软着陆。这意味着，如果飞船在第 5 次飞行中再次出现这种情况，那么SpaceX 可能会在第6 次飞行后将第二级飞船带回发射场。第二级火箭是世界上首枚完全可重复使用的同类火箭，也是SpaceX为最终殖民火星计划大幅降低发射成本、加快连续发射速度的一部分。 原文：https://m.cnbeta.com.tw/view/1442600.htm