IBM：如何用人工智能显微镜观察海洋 “蚁人”？

2018年11月13日漫威之父斯坦·李辞世，向他的科技梦想致敬！

导语：智能显微镜（AI Microscopes）是一种超级小型自主显微镜，可以放在水中，创建浮游生物的3D模型并跟踪它们在自然环境中的行为。这种科技海洋侦察兵——“蚁人”可能有助于监控石油泄漏、预测赤潮等威胁环境的恶性事件。

一、如何保护海洋是个难题

大海啊，全是水。不对，大海里还有很多海洋生物，大到地球上体积最大的动物蓝鲸，小到显微镜才看得见的浮游生物。

众所周知，海洋环境污染面临如下难题：

1. 不远的将来，就在10年内，世界上一半以上的人口将生活在缺水地区。

2. 科学家们很难收集和分析有关实时水情况的最基本数据。

3. 现有的数据收集是定向的，无法监控突发事件。

4. 海洋地域广大，研究无法深入到各处，关于自然栖息地的浮游生物行为知之甚少。

IBM希望在五年内，将小型自主显微镜在云端联网并部署在世界各地，持续监控水资源的状况。

根据2010年发表在《自然》杂志上的一项研究，可能是因为海面温度上升，自1950年以来浮游生物种群数量下降了约40％。浮游生物种群的局部变化可以产生连锁效应，导致有毒藻类肆意生长，四分之一的珊瑚会死亡，珊瑚又是海洋鱼类的家园。

到2025年，世界上一半以上的人口将生活在缺水的地区。因为实时海洋数据难以捉摸，科学家们甚至难以收集和分析有关我们海洋，湖泊和河流实时状况的最基本数据。

没有数据，无法进行分析与判断。海洋健康处于茫然无知的状态。现在，科学界有专门的传感器可用于检测水中的特定化学物质和条件，但这种定向检测会错过突发事件，比如局部环境突然出现的入侵物种，等到人类知晓并且人工进行干预的时候，很多损失已经无法挽回。

好消息是微小浮游生物虽小，却是海洋健康的明星卡司，我们可以把它们想象成漫威的“蚁人大军”，越小威力越大。

浮游生物是水环境健康的天然生物传感器，最敏感的侦察兵。因为足够微小，所以足够敏感，即使水质略有变化也会影响它们的行为。

不要小瞧微生物，它们构成了海洋食物链的基础，海洋食物链是超过10亿人的主要蛋白质来源，尤其爱吃海鲜烧烤的朋友可以重点关注一下。浮游生物在全球碳和氧循环中的作用非常关键，这就是是为什么要实时了解浮游生物数量、分布和物种如何变化，可以帮助科学家研究海洋的环境难题。

然而，现在关于浮游生物如何在其自然栖息地中表现，我们知之甚少，因为研究浮游生物通常需要收集样本并将其运送到实验室。IBM认为由人工智能驱动的机器人显微镜可以改变研究人员监测海洋健康的能力，特别是构成海洋食物链基础的微小浮游生物。

二、水中小型自主3D显微镜

研究人员希望，给显微镜配备高性能、低功耗的人工智能技术，可以在本地分析和解释数据，实时报告任何异常情况，以便立即采取行动。否则一有恶性事件发生，就会像电影《复仇者联盟》开头的对话一样，

问：情况有多糟？
答：最糟的情况就是，我们不知道有多糟。

好消息是，IBM研究员Tom Zimmerman正在构建小型自主3D显微镜方面，这些显微镜可放置在水体中，以浮游生物作为环境传感器网络。放置在水体中的好处是，可以原地监测浮游生物，识别不同物种并跟踪其三维运动。

这些发现可以用来更好地了解它们的行为，例如它们如何应对从温度变化到石油泄漏等各种环境变化，甚至可以用来预测人类供水的威胁，如赤潮。

浮游生物虽然渺小，但是作为传感器来监测环境的健康，其灵活性当然就不用担心了，但是也正是因为小，需要在显微镜中嵌入人工智能技术，才可以分析它们的形状，大小和行为以确定它们的健康状况。收集的这些信息和数据在云计算中处理，可以进一步深入了解海洋复杂生态系统的健康。

IBM研究部门主管Arvind Krishna 在公司网站上写道，“小型自主人工智能显微镜，在云中联网并部署在世界各地，将持续实时监控地球上最重要和受威胁资源之一的健康状况：水。”

显微镜没有镜头，依靠成像芯片，可以捕捉浮游生物在芯片上游动时的阴影，生成健康的数字样本，无需聚焦。在这个世界里，有了显微镜，我们才可以看到像浮游生物这样的小生物如何移动，这些小生物提供我们全球三分之二的氧气，完全无法忽略它们。

以下是主要负责的科学家Tom Zimmerman和理论物理学家Simone Bianco的介绍：

Simone：我们从细胞开始合作。我的研究的重点是以足够快的速度跟踪三维浮游生物的移动，因此我可以在数学上模拟浮游生物行为中状态的变化。通过这些模型，我可以将浮游生物用作化学和环境传感器，就像地下煤矿中的金丝雀一样。他发明的3D无透镜显微镜没有镜头，因此无需对焦。它依赖于成像器芯片，就像手机相机中的芯片一样，成像系统捕捉浮游生物在成像器芯片顶部游动时的阴影。

Tom：与Simone合作，让我对环境、图像处理融合在一起。与我的导师巴顿史密斯合作，我最初发明了3D无透镜显微镜来观察鱼缸中的微小生物，浮游生物比鱼更有意思。遇到了Simone，我才知道五亿年前浮游生物使空气中的氧气增加了三倍，这个世界才有足够的氧气提供给更多的生物。现在我们可以探索高清晰度的微观世界了，我想与年轻人分享“生命在一滴水中”的惊人世界，并科普这些小动物对我们的生活和未来的重要性。

早年对微生物的研究方法，包括专业船只在海洋中航行沿途采集一定数量的微生物、卫星图像（无法识别微生物物种）、远距离图像采集技术。在过去几年中，自主水下航行器已经加入了任务，收集图像并模仿浮游生物游泳的方式来测试他们如何聚集和形成赤潮的数学理论。但是用人工智能显微镜观察海洋 “蚁人”似乎更胜一筹。

三、瓶颈来自于缺少标注好的数据

来自加利福尼亚州圣何塞的IBM研究人员的最新技术是使用游泳自主显微镜收集3D图像的系统，为了追踪浮游生物在其环境中的行为，双LED灯形成了浮游生物游泳的阴影，这些阴影被成像芯片捕获，建立被称为“阴影图”的图像。两位科学家希望将人工智能应用于这些设备中，从而可以根据其大小，形状和行为来确定浮游生物的健康状况。这些发现可以帮助生态学家了解浮游生物如何应对环境干扰，如温度峰值、盐度变化、石油泄漏和有毒的藻类大量繁殖。

但是，分析图像内容的软件需要数据集进行训练，而这些数据集现在很缺乏。“我们真正需要的是一个全球的存档图像中心的和一个全球分类学家中心，以识别和标记这些图像，以便研究人员可以浏览生成的数据集并用它们进行科学研究。

一旦瓶颈被清除，这将彻底改变浮游生物生态学和生物海洋学。未来，IBM科学家希望能够实时检测更多微生物的状态和行为，以及微生物与环境的相互作用，以及微妙变化。通过将显微镜与VR，AR和AI相结合，更好地了解生态系统如何运作，以更好地管理地球环境。（完）

亲爱的数据

出品：谭婧

美编：陈泓宇