Міністерство освіти і науки України

Запорізька політехніка

Реферат на тему:

Штучний інтелект у біологічних дослідженнях

Виконала здобувач вищої освіти другого (магістерського) рівня

спеціальності 134 Авіаційна та ракетно-космічна техніка

освітньої програми «Технології виробництва авіаційних двигунів та енергетичних установок»

Діброва Юлія

Запоріжжя

2023 -2024 н.р.

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………. 3

Розділ 1……………………………………………………………………….. 4

Розділ 2……………………………………………………………………….. 6

Розділ 3……………………………………………………………………….. 8

Висновки……………………………………………………………………... 9

Список інформаційних джерел……………………………………………..10

Вступ

Штучний інтелект (artificial intelligence, AI) — це здатність механічної системи отримувати, обробляти та застосовувати отримані знання та вміння. Основною метою його створення на початкових порах була допомога людині при здійсненні певної роботи, аби полегшити її або взагалі замінити, економлячи при цьому час. Так були створені обчислювальна техніка, винаходи у сфері мореплавства, промисловості. Комп'ютерні технології та мобільний зв'язок змінили світ.

Головними завданнями науковців у наші часи вважається створення моделі мозку, розкриття таємниць мислення та процесів розуміння. І це вже не далеке майбутнє, а сьогодення. Майбутнє вже настало, воно просто розподілене нерівномірно. І тут уже мова йде про створення комп'ютерних технологій, роботів. [1]

[2]

Розділ 1

Історична довідка

Історія штучного інтелекту починається ще з XVI століття, зі спроб Леонардо да Вінчі створити обчислювальну техніку. У 1623 р. німецьким науковцем Вільгельмом Шиккардом вже було сконструйовано механічну цифрову обчислювальну машину, а через 15 років Блез Паскаль створив першу лічильну техніку. З XV століття починається науково-технічна революція, яка взагалі змінює розуміння матеріального світу. Саме з цього часу починається перебудова виробництва, з'являється багато винаходів, індустріальне суспільство трансформується в постіндустріальне. Четверта науково- технічна революція в другій половині XX століття відзначилася значним розвитком інтелектуальної діяльності, в т.ч. впровадженням штучного інтелекту в нових технологіях. І з того часу прогрес відбувається переважно у цьому напрямі. [1]

Народження (1952-1956)

1955 ― Аллен Ньюелл та Герберт Саймон створили першу програму штучного інтелекту ― Logic Theorist. Вона довела 38 із 52 математичних теорем, а також знайшла нові доведення для деяких інших.

1956 ― термін «штучний інтелект» вперше вжив американський інформатик Джон Маккарті на Дартмутській конференції.

Золоті роки (1956-1974)

1966 ― Джозеф Вайценбаум розробив першого чат-бота ― ELIZA. Його назвали на честь Елізи Дулітл, героїні п'єси «Пігмаліон» Бернарда Шоу, яку навчали мові «вищого класу людей». ELIZA імітував діалог з психотерапевтом.

1972 ― в Японії створено першого інтелектуального людиноподібного робота, який отримав назву WABOT-1.

Перша «зима штучного інтелекту» (1974-1980)

У цей період комп'ютерні науковці стикнулися з гострою нестачею фінансування.

Бум AI (1980-1987)

У 1980 році в Стенфордському університеті відбулася перша національна конференція Американської асоціації штучного інтелекту.

Друга «зима AI» (1987-1993)

Інвестори та уряди знову припинили фінансування досліджень у галузі artificial intelligence через високу вартість та неефективний результат.

Поява інтелектуальних агентів (1993-2011)

1997 ― комп’ютер IBM Deep Blue обіграв чемпіона світу з шахів Гаррі Каспарова.
2002 ― вперше AI увійшов у дім у вигляді пилососа Roomba.
2006 ― бізнес почав використовувати технологію, зокрема компанії Facebook, Twitter та Netflix.

Deep learning, Big Data та artificial general intelligence (2011-дотепер)

2011 рік ― Watson від IBM переміг у вікторині Jeopardy, де йому довелося вирішувати складні загадки. Стало зрозуміло: він розуміє природну мову, швидко вирішує непрості питання.
2012 ― Google запустив функцію Google Now в додатку для Android, яка могла надавати користувачеві інформацію у вигляді прогнозу.

2020 ― Baidu випустив алгоритм LinearFold AI для медичних і науково-медичних команд, які розробляють вакцину на ранніх стадіях пандемії SARS-CoV-2 (COVID-19). [2]

Розділ 2

Штучний інтелект в біології і медицині

Із інформаційного звіту опублікованого ВООЗ щодо використання штучного інтелекту в медицині було зазначено про великі перспективи для покращення медичної допомоги і розвитку системи охорони здоров’я в усьому світі, проте варто пам’ятати про етичну та правову сторони його застосування. Генеральний директор ВООЗ Тедрос Аданом Гебреїсус відмітив величезний потенціал штучного інтелекту, як інструменту для покращення здоров’я багатьох мільйонів людей на Землі, однак при зловживанні ним можна заподіювати шкоду.

Ряд розвинених країн світу використовують штучний інтелект для підвищення швидкості й точності в діагностиці багатьох хвороб. Після встановлення діагнозу здійснюється персоналізований підхід до лікування хворого. Так вченими із Ізраїльського університету розроблено нейронну мережу Deep Gestalt, яка здатна виявляти значну кількість рідкісних спадкових хвороб по фото, проводячи аналіз рис обличчя. Як було зазначено дослідниками, нейронна мережа Deep Gestalt визначає хвороби з точністю до 90%.

В ході співпраці британського стартапу Exscientia та японської фармацевтичної компанії Sumitomo Dainippon Pharma було вперше застосовано штучний інтелект при розробці медичних препаратів. Як результат розумна машина «винайшла» молекулу. Нові ліки призначені для пацієнтів, які страждають від обсесивно-компульсивного розладу. Зазвичай від моменту розробки ліків проходить п’ять років, перш ніж нові формули отримають дозвіл на випробування. Для препарату розробленого штучним інтелектом, вистачило менше одного року.

Великих результатів досягнуто в діагностиці захворювань органів зору та рекомендаціях щодо їх лікування, для діагностики захворювань серцево-судинної системи, онкологічних хвороб, багатьох небезпечних інфекцій.

Одним з найважливіших досягнень при застосуванні сучасних технологій в медицині – синтез мови. Штучний інтелект здатний синтезувати до 75% людської мови.

На сьогодні нам до кінця не відомі можливості штучного інтелекту, однак вже зараз він має переваги, які полягають у швидкій обробці великих обсягів інформації, штучний інтелект не відчуває втоми та має здатність до навчання в будь-якій сфері, але завжди є ймовірність того що він почне вчитися не тим речам, і замість користі може завдати шкоди. [3]

Стоукс і його колеги з Університету Макмастера та Массачусетського технологічного інституту звернулися до ШІ, щоби визначити сполуки, які можуть боротися з мікробом. Модель на основі штучного інтелекту допомогла вченим розробити антибіотик проти високостійкої супербактерії, яка зазвичай трапляється в лікарнях та збуджує до 80% інфекцій. Потім модель була використана для аналізу нового набору даних, що включає 6680 сполук, яких вона раніше не бачила, щоб передбачити, чи можуть вони стати перспективними антибіотиками. [4] Діагностика і лікування онкологічних захворювань, а також розробка нових медикаментозних засобів поза сумнівом є найважливішою сферою застосування нейромережевих технологій. Проте останнім часом серед дослідників і лікарів росте усвідомлення того факту, що майбутні успіхи мають бути тісно пов'язані з вивченням молекулярних і генетичних причин розвитку захворювань.Не випадково в квітні 1997 року експерти Національного інституту здоров'я (США) виступили з рекомендаціями по посиленню досліджень, пов'язаних з виявленням причин, що викликають рак, і розробок, направлених на попередження хвороб. Нейромережі вже досить давно активно застосовуються в аналізі послідовностей геномів ДНК, зокрема для розпізнавання промоторів — ділянок, передуючих генам і пов'язуваних з білком РНК-ПОЛІМЕРАЗА, який ініціює транскрипцію. Їх використовують для диференціації кодуючих і некодуючих ділянок ДНК (екзонов і інтронов) і прогнозу структури білків.У 1996 році було зроблено сенсаційне відкриття, що зв'язало фундаментальні дослідження в молекулярній генетиці з проблемою патогенезу і лікування найпоширенішого онкологічного захворювання, — базальнокліткового раку шкіри. Дослідники виявили в дев'ятій хромосомі людини ген (РТС), мутації в якому, на відміну від гена p53, викликані дією ультрафіолету і є причиною розвитку пухлини. Ключем до відкриття стало вивчення так званого гена латочки, зміни в якому стимулювали дефекти розвитку плодової мушки і той факт, що у дітей, що страждають від дефектів розвитку кісткової тканини (базальний невусний синдром), часто є множинні базаліоми. [5]

Розділ 3

Нейромережі в морфологічних дослідженнях

«Використання deep learning для аналізу зображень електронної мікроскопії» - такою була тема останніх в цьому навчальному році Наукових зустрічей кафедри біофізики та медичної інформатики, що відбулася 23 травня. Валентина Зінченко, випускниця кафедри 2016 р., European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Postdoctoral Fellow, Heidelberg, Baden-Württemberg, Germany, розповіла про використання deep learning для аналізу біологічних зображень.Поділилася результатами свого проекту, як з допомогою натренованої нейромережі вдалося визначити морфологічні особливості кожної з 11 тисяч клітин невеличкого морського черв'яка. І як використаний різновид машинного навчання дозволив визначити групи клітин, та візуалізувати їх в тривимірній моделі об'єкта. [6]

ОЦІНЮВАННЯ ВАЛІДНОСТІ ДІАГНОСТУВАННЯ ПОШКОДЖЕНЬ БІОТКАНИН ЗА ДОПОМОГОЮ ЦИФРОВОЇ КОЛОРИМЕТРІЇ З ВИКОРИСТАННЯМ НЕЙРОМЕРЕЖІ

Вдосконалений спосіб цифрової колориметрії поверхневих пошкоджень біотканин у судовій медицині дозволяє документально зареєструвати ушкодження біотканини шкіри судово-медичним експертом та використати результати досліджень у якості доказової бази . Спеціалізоване алгоритмічно-програмне забезпечення засобу діагностики біотканин шкіри людини дозволяє визначити гістограму кольорів зображення патологічної біотканини шкіри при механічному ураженні тупим предметом. Отримана гістограма кольорів разом з іншими біомедичними параметрами пацієнта подається на вхід експертної системи підтримки прийняття діагностичного рішення. Таким чином, засіб діагностики дозволяє формалізувати відомі методики візуального експертного оцінювання терміну ушкодження біотканини шкіри людини внаслідок травми тупим предметом, що необхідно для зменшення суб’єктивності проведення досліджень у судово-медичній діагностиці. Після навчання нейромереж протягом 500 ітерацій на основі тестових послідовностей досліджено результати продуктивності та помилок їх роботи. Найменшу кількість помилок 0,288% забезпечила імовірнісна нейромережа. [7]

Висновки

У рефераті розглянуто декілька напрямків використання штучного інтелекту. До огляду представлена хронологічна послідовність розвитку та використання штучного інтелекту. З котрої бачимо що зародження штучного інтелекту почалося ще з 1955 року і до наших днів продовжує розвиватися та вдосконалюватися.

Штучний інтелект в наш час застосовують в багатьох галузях: інтелектуальній сфері, різних виробничих процесах, соціальній сфері, медицині, біологічних дослідженнях. Зокрема в рефераті зосереджена увага саме на біологічних дослідженнях. Ізраїльський університет розробив нейронну мережу Deep Gestalt, яка здатна виявляти значну кількість рідкісних спадкових хвороб по фото, проводячи аналіз рис обличчя. Британський стартапу Exscientia та японська фармацевтична компанія Sumitomo Dainippon Pharma вперше застосували штучний інтелект при розробці медичних препаратів. Згадано модель на основі штучного інтелекту допомогла вченим розробити антибіотик проти високостійкої супербактерії, яка зазвичай трапляється в лікарнях та збуджує до 80% інфекцій. Також нейромережі вже досить давно активно застосовуються в аналізі послідовностей геномів ДНК.

В рефераті також, описано спосіб цифрової колориметрії, який застосовують у судово-медичній діагностиці.

Наше сьогодення змінюється набагато швидше ніж 20-30 років назад. Сучасний світ переповнюють прояви штучного інтелекту - цифрові системи, які оточують людей вже всюди: у містах загального користування, у побуті… Наступний крок розвитку штучного інтелекту можливий будь який, так як створення розумних та високоточних машин, створення роботів, що замінять людей.

Вже існують роботи, які можуть розуміти, розмовляти, жартувати. Це добре відомий усім людиноподібний робот Софія — перша добре сконструйована інженерами модель робота людини. [1]