Умный робот получил «5» по биологии
Когда исследователи предоставляли компьютеру данные соответствующих измерений, которые ученый может получить в разных условиях, он предоставил серию уравнений, которые были почти идентичные известным ранее и выведенным человеком уравнением. Единственное, что знало умное программное обеспечение заранее — это операции сложения, вычитания, умножения и деления.
Данное исследование было опубликовано в журнале Physical Biology. Оно является результатом сотрудничества между Джоном П. Виксво — профессором физики в Университете Вандербильта, Майкла Шмидта и Хида Липсона с Корнельського университета, а также Джерри Дженкинса и Равишанкара Валлабхайосула из Исследовательской корпорации CFD в Хантсвилли, штат Алабама.
«Мозг» системы, которую Виксво окрестил Автоматизированный биологический исследователь (ABE), является частью программного обеспечения, которое имеет название Eureqa, разработанного в Корнельськом университете и выпущенного в 2009 году. Eureqa сначала была создана для разработки роботов, обходя обычный этап проб и ошибок, который одновременно является медленным и дорогим. После того, как все удалось, они поняли, что данная система может применяться для решения научных проблем.
Одним из начальных достижений Eureqa было выявление основных законов движения, анализируя движение двойного маятника. На что в Исаака Ньютона ушло несколько лет, Eureqa понадобилось несколько часов работы на обычном персональном компьютере.
В 2006 году Виксво услышал лекцию Хида Липсона о его исследовании и «внезапно я понял, что разработанная Хидом система может быть использована для решения биологических проблем и даже их управления», сказал Виксво. Он и Липсон начали сотрудничать и адаптировали Eureqa для анализа биологических проблем. «Биология является областью, где разрыв между теорией и данными возрастает очень быстро», говорит Липсон. «Поэтому область более всего нуждается в автоматизации».
Биологической системой, которую ученые использовали для проверки ABE, был гликолиз — основной процесс изготовление энергии в живой клетке. В частности, они сосредоточились на том, каким образом клетки дрожжей контролируют колебание химических веществ, которые появляются во время процесса.
Дженкинс и Валлабхайосула использовали одну из детальных математических моделей процесса для создания набора данных, согласно измерениям, которые получил бы ученый в разных условиях. Для повышения реализма испытания, исследователи прибавили к данным 10 процентов случайных ошибок. Когда они предоставили данные Eureqa, она вывела серию уравнений, которые были почти идентичны известным уравнениям. «Что в самом деле приводит в удивление, она создала эти уравнения a priori» говорит Валлабхайосула. «Единственное, что знало программное обеспечение заранее — это действия сложения, вычитания, умножения и деления».
Способность генерировать математические уравнения из нуля отличает ABE от ученого робота Адама, разработанного Росс Кингом и его коллегами из Университета Уэльса в Абериствите. Адам провел генетические эксперименты с дрожжами и получил международную славу два года назад, сделав новое научное открытие без прямого вмешательства человека. Кинг предоставил Адаму дрожжевую модель метаболизма вместе с базой данных генов и белков, которые принимают участие в обмене веществ других видов. Он также связал компьютер с дистанционно управляемой лабораторией генетики. Это разрешило компьютеру генерировать гипотезы, разрабатывать и проводить реальные эксперименты для их проверки. «Это классическая работа для статьи», говорит Виксво.
Для того, чтобы дать ABE возможность запуска подобных экспериментов как у Адама, группа Виксва в данное время разрабатывает технологию типа «лаборатория-на-чипе», которая может управляться Eureqa. Это разрешит ABE проектировать и выполнять широкий спектр основных экспериментов биологии. Их начальные усилия сосредоточены на разработке устройств микрофлюидики, которые могут проводить испытание клеточного метаболизма.
«Как правило, в экспериментах, которые проводятся учеными изменяется один определенный фактор, в то время как другие остаются константами. Но для проверки биологических систем более эффективнее иметь систему с большим количеством одновременно изменяющихся факторов. АВЕ позволяет нам это делать», сказал Виксво.