Интеллектуальная сила, лежащая в основе устойчивого искусственного интеллекта | Новости Массачусетского технологического института

Как вы можете использовать науку, чтобы построить лучший пряничный домик?

Об этом Миранда Шваке много думала. Аспирант кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE) входит в состав Кухня имеет значениегруппа аспирантов, которые используют еду и кухонные принадлежности для объяснения научных концепций с помощью коротких видеороликов и информационных мероприятий. В прошлом обсуждались вопросы, почему шоколад «схватывается» или с ним становится трудно работать при плавлении (спойлер: внутрь попадает вода), а также как сделать изомальт — сахарное стекло, через которое каскадеры прыгают в боевиках.

Два года назад, когда группа снимала клип на как построить прочный пряничный домикШваке просмотрел кулинарные книги в поисках переменной, которая могла бы привести к наиболее существенному изменению печенья.

«Я читала о том, что определяет текстуру печенья, а затем попробовала несколько рецептов на своей кухне, пока не получила два рецепта пряников, которые мне понравились», — говорит Шваке.

Она сосредоточилась на сливочном масле, которое содержит воду, которая при высоких температурах выпечки превращается в пар, образуя в печенье воздушные карманы. Шваке предсказал, что уменьшение количества масла приведет к более плотным пряникам, достаточно прочным, чтобы держаться вместе как дом.

«Эта гипотеза является примером того, как изменение структуры может повлиять на свойства и характеристики материала», — сказал Шваке в восьмиминутном видео.

Тот же самый интерес к свойствам и характеристикам материалов побуждает ее исследовать высокие энергетические затраты на вычисления, особенно для искусственного интеллекта. Шваке разрабатывает новые материалы и устройства для нейроморфных вычислений, которые имитируют мозг, обрабатывая и сохраняя информацию в одном и том же месте. Она изучает электрохимические ионные синапсы — крошечные устройства, которые можно «настроить» для регулирования проводимости, подобно тому, как нейроны усиливают или ослабляют связи в мозгу.

“Если вы посмотрите на ИИ в частности – для обучения этих действительно больших моделей – он потребляет много энергии. И если вы сравните это с количеством энергии, которое мы, люди, потребляем, когда что-то изучаем, мозг потребляет гораздо меньше энергии”, – говорит Шваке. «Именно это привело к идее найти более интеллектуальные и энергоэффективные способы создания искусственного интеллекта».

Ее консультант Бильге Йылдыз подчеркивает эту мысль: одна из причин, по которой мозг настолько эффективен, заключается в том, что данные не нужно перемещать туда и обратно.

“В мозге связи между нашими нейронами, называемые синапсами, – это то место, где мы обрабатываем информацию. Здесь происходит передача сигнала. Он обрабатывается, программируется и сохраняется в одном и том же месте”, – говорит Йилдиз, профессор Брина М. Керра (1951) на кафедре ядерной науки и техники и DMSE. Устройства Шваке призваны повторить эту эффективность.

Научные корни

Дочь матери-морского биолога и отца-инженера-электрика, Шваке с юных лет была погружена в науку. Наука «всегда была частью моего понимания мира».

“Я была одержима динозаврами. Когда вырасту, я хотела стать палеонтологом”, – говорит она. Но ее интересы расширились. В своей средней школе в Чарльстоне, Южная Каролина, она приняла участие в ПЕРВЫХ соревнованиях по робототехнике Lego League, создавая роботов для выполнения таких задач, как толкание или перетаскивание предметов. «Мои родители, особенно мой отец, активно участвовали в работе школьной команды и помогали нам спроектировать и построить нашего маленького робота для соревнований».

Тем временем ее мать изучала для Национального управления океанических и атмосферных исследований, как загрязнение влияет на популяции дельфинов. Это имело длительный эффект.

«Это был пример того, как наука может быть использована для понимания мира, а также для того, чтобы выяснить, как мы можем улучшить мир», — говорит Шваке. «И это то, что я всегда хотел сделать с наукой».

Ее интерес к материаловедению появился позже, во время учебы в средней школе. Там она познакомилась с междисциплинарным предметом — смесью физики, химии и инженерии, которая изучает структуру и свойства материалов и использует эти знания для разработки новых.

«Мне всегда нравилось, что все идет от фундаментальной науки, где мы изучаем, как упорядочиваются атомы, вплоть до твердых материалов, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни, и того, как это придает им свойства, которые мы можем видеть и с которыми можно играть», — говорит Шваке.

Будучи старшим специалистом, она участвовала в исследовательской программе с дипломным проектом по сенсибилизированным красителями солнечным элементам — недорогой и легкой солнечной технологии, в которой молекулы красителей используются для поглощения света и выработки электроэнергии.

«Меня побудило понимание того, как мы переходим от света к энергии, которую мы можем использовать, а также понимание того, как это может помочь нам иметь больше возобновляемых источников энергии», — говорит Шваке.

После окончания школы она отправилась через всю страну в Калифорнийский технологический институт. «Я хотела попробовать совершенно новое место», — говорит она, где она изучала материаловедение, в том числе наноструктурированные материалы, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Она сосредоточилась на свойствах и микроструктуре материалов — крошечной внутренней структуре, которая управляет поведением материалов, — что привело ее к электрохимическим системам, таким как батареи и топливные элементы.

Энергетический вызов искусственного интеллекта

В Массачусетском технологическом институте она продолжила изучать энергетические технологии. Она познакомилась с Йылдыз во время встречи в Zoom на первом курсе аспирантуры осенью 2020 года, когда кампус все еще работал в соответствии со строгими протоколами Covid-19. Лаборатория Йылдыза изучает, как заряженные атомы или ионы движутся через материалы в таких технологиях, как топливные элементы, батареи и электролизеры.

Лабораторные исследования в области компьютерных вычислений, основанных на мозге, разожгли воображение Шваке, но ее в равной степени привлекла манера Йылдыз говорить о науке.

«Он не был основан на жаргоне и подчеркивал базовое понимание того, что происходит — что ионы идут сюда, а электроны — сюда, чтобы фундаментально понять, что происходит в системе», — говорит Шваке.

Такое мышление сформировало ее подход к исследованиям. Ее ранние проекты были сосредоточены на свойствах, которые необходимы этим устройствам для хорошей работы — быстрая работа, низкое энергопотребление и совместимость с полупроводниковыми технологиями — а также на использовании ионов магния вместо водорода, которые могут попасть в окружающую среду и сделать устройства нестабильными.

Ее текущий проект, основной темой ее докторской диссертации, посвящен пониманию того, как введение ионов магния в оксид вольфрама, оксид металла, электрические свойства которого можно точно настроить, меняет его электрическое сопротивление. В этих устройствах оксид вольфрама служит канальным слоем, где сопротивление контролирует силу сигнала, подобно тому, как синапсы регулируют сигналы в мозге.

«Я пытаюсь понять, как именно эти устройства меняют проводимость канала», — говорит Шваке.

Исследования Шваке были отмечены стипендией MathWorks от Инженерной школы в 2023 и 2024 годах. Стипендия поддерживает аспирантов, которые используют в своей работе такие инструменты, как MATLAB или Simulink; Шваке применил MATLAB для критического анализа и визуализации данных.

Йылдыз описывает исследование Шваке как новый шаг на пути к решению одной из самых больших проблем искусственного интеллекта.

«Это электрохимия для вычислений на основе мозга», — говорит Йылдыз. “Это новый контекст для электрохимии, но он также связан с энергетическими последствиями, поскольку потребление энергии при вычислениях неустойчиво растет. Нам нужно найти новые способы выполнения вычислений с гораздо меньшими затратами энергии, и это один из способов, который может помочь нам двигаться в этом направлении”.

Как и любая новаторская работа, она сопряжена с трудностями, особенно в соединении концепций электрохимии и физики полупроводников.

«Наша группа имеет опыт работы в области химии твердого тела, и когда мы начали работу над магнием, никто раньше не использовал магний в устройствах такого типа», — говорит Шваке. “Поэтому мы искали вдохновение в литературе по магниевым батареям, а также в поисках различных материалов и стратегий. Когда я начал это, я не просто изучал язык и нормы для одной области – я пытался выучить их для двух областей, а также переводить между ними”.

Она также пытается решить задачу, знакомую всем ученым: как разобраться в беспорядочных данных.

«Основная проблема заключается в том, чтобы иметь возможность взять мои данные и знать, что я интерпретирую их правильно и понимаю, что они на самом деле означают», — говорит Шваке.

Она преодолевает препятствия, тесно сотрудничая с коллегами из разных областей, включая нейробиологию и электротехнику, а иногда просто внося небольшие изменения в свои эксперименты и наблюдая, что происходит дальше.

Сообщество имеет значение

Шваке не просто работает в лаборатории. В программе «Кухня имеет значение» она и ее коллеги-аспиранты DMSE устанавливают стенды на местных мероприятиях, таких как Кембриджская научная ярмарка и Steam It Up, внеклассная программа с практическими занятиями для детей.

«Мы сделали «pHun with Food», где слово «fun» было записано с помощью pH, поэтому в качестве индикатора pH у нас был капустный сок», — говорит Шваке. «Мы позволили детям проверить pH лимонного сока, уксуса и средства для мытья посуды, и им было очень весело смешивать разные жидкости и видеть разные цвета».

Она также работала социальным председателем и казначеем группы аспирантов DMSE, Совета по материалам для выпускников. Будучи студенткой Калифорнийского технологического института, она вела семинары по науке и технологиям для Robogals, студенческой группы, которая поощряет молодых женщин делать карьеру в науке, и помогала студентам подать заявку на участие в летней исследовательской стипендии для студентов.

Для Шваке этот опыт обострил ее способность объяснять науку разным аудиториям – навык, который она считает жизненно важным, независимо от того, выступает ли она на детской ярмарке или на научной конференции.

«Я всегда думаю, откуда начинается моя аудитория и что мне нужно объяснить, прежде чем я смогу приступить к тому, что делаю, чтобы все это имело для них смысл?» она говорит.

Шваке считает, что способность общаться имеет решающее значение для построения сообщества, что она считает важной частью проведения исследований. “Это помогает распространять идеи. Это всегда помогает по-новому взглянуть на то, над чем вы работаете”, – говорит она. «Я также думаю, что это помогает нам оставаться в здравом уме во время работы над докторской диссертацией».

Йылдыз считает участие Шваке в общественной жизни важной частью своего резюме. «Она делает все эти действия, чтобы мотивировать более широкое сообщество проводить исследования, интересоваться наукой, заниматься наукой и технологиями, но эта способность также поможет ей прогрессировать в ее собственных исследованиях и академических начинаниях».

Получив докторскую степень, Шваке хочет применить эту способность общения с ней в академических кругах, где она хотела бы вдохновить следующее поколение ученых и инженеров. Йылдыз не сомневается, что она добьется успеха.

«Я думаю, она идеально подходит», — говорит Йылдыз. “Она великолепна, но одного блеска недостаточно. Она настойчива и жизнерадостна. Кроме того, они вам действительно нужны”.