持続可能な AI を支える脳力 |マサチューセッツ工科大学ニュース

科学を利用してより良いジンジャーブレッドハウスを建てるにはどうすればよいでしょうか?

それはミランダ・シュワッケが多くの時間を費やして考えたことだった。 MIT 材料科学工学部 (DMSE) の大学院生は、 キッチンのこと、食品やキッチンツールを使用して、短いビデオやアウトリーチイベントを通じて科学的概念を説明する大学院生のグループです。過去のトピックには、なぜチョコレートが「固まる」のか、溶けるときに扱いにくくなるのか（ネタバレ：水が入ってしまう）、アクション映画でスタントパフォーマーが飛び越える砂糖のガラスであるイソマルトの作り方などが含まれていました。

2年前、グループがビデオを制作していたとき、 構造的に健全なジンジャーブレッドハウスを建てる方法シュヴァッケ氏は、クッキーに最も劇的な違いを生み出す変数をクックブックで調べました。

「クッキーの食感を決めるものについて本を読んで、満足のいくジンジャーブレッドのレシピが 2 つ見つかるまで、キッチンでいくつかのレシピを試しました」とシュヴァッケさんは言います。

彼女はバターに注目しました。バターには水分が含まれており、高温で焼くと蒸気になり、クッキー内にエアポケットが生じます。シュヴァッケ氏は、バターの量を減らすと、より密度の高いジンジャーブレッドができ、家としてしっかりと保持できる強度があると予測しました。

「この仮説は、構造の変化が材料の特性や性能にどのような影響を与えるかを示す一例です」とシュワッケ氏は8分間のビデオで述べた。

材料の特性と性能に対する同じ好奇心が、コンピューティング、特に人工知能の高いエネルギーコストに関する彼女の研究を推進しています。シュワッケは、情報を同じ場所で処理および保存することで脳を模倣するニューロモーフィック コンピューティングのための新しい材料とデバイスを開発しています。彼女は電気化学的イオンシナプスを研究しています。これは、脳内の接続を強化または弱めるニューロンと同じように、伝導率を調整するために「調整」できる小さなデバイスです。

「特に、非常に大規模なモデルをトレーニングする AI に注目してみると、大量のエネルギーを消費します。そして、それを人間が物事を学習するときに消費するエネルギーの量と比較すると、脳が消費するエネルギーははるかに少ないのです」とシュワッケ氏は言います。 「それが、より脳にインスピレーションを得た、エネルギー効率の高い AI の方法を見つけるというこのアイデアにつながったのです。」

彼女のアドバイザーであるビルゲ・ユルディス氏は、その点を強調する。脳が非常に効率的である理由の 1 つは、データを前後に移動する必要がないことである。

「脳では、シナプスと呼ばれるニューロン間の接続が情報を処理する場所です。信号伝達がそこにあります。信号は同じ場所で処理され、プログラムされ、また同じ場所に保存されます」と、原子力科学工学部と DMSE のブリーン M. カー教授 (1951 年) のユルディス氏は言います。 Schwacke のデバイスは、その効率を再現することを目指しています。

科学的ルーツ

海洋生物学者の母親と電気技師の父親の間に生まれたシュヴァッケは、幼い頃から科学に没頭していました。科学は「常に私が世界を理解する方法の一部でした」。

「私は恐竜に夢中でした。大きくなったら古生物学者になりたいと思っていました」と彼女は言います。しかし、彼女の興味はさらに広がりました。サウスカロライナ州チャールストンの中学校で、彼女はファースト レゴ リーグ ロボット工学コンテストに参加し、物体を押したり引いたりするようなタスクを完了するロボットを構築しました。 「私の両親、特に父は学校チームに深く関わってくれて、競技会用の小さなロボットの設計と製作を手伝ってくれました。」

一方、彼女の母親は、米国海洋大気庁のためにイルカの個体数が汚染によってどのような影響を受けるかを研究していました。それは永続的な影響を及ぼしました。

「これは、科学が世界を理解するために、そして世界をどのように改善できるかを理解するためにどのように利用できるかを示す一例でした」とシュワッケ氏は言う。 「それが私が科学で常にやりたいと思っていたことなのです。」

彼女が材料科学に興味を持ったのは、その後高校の磁石プログラムでのことでした。そこで彼女は、材料の構造と特性を研究し、その知識を使って新しい材料を設計する、物理学、化学、工学を組み合わせた学際的な科目に入門しました。

「原子がどのように秩序立っているかを研究しているこの非常に基本的な科学から、日常生活で相互作用するこれらの固体材料に至るまで、そしてそれが私たちが見て遊ぶことができるそれらの特性をどのように与えているかを研究することが常に好きでした」とシュワッケ氏は言います。

彼女は4年生として、色素増感太陽電池に関する論文プロジェクトの研究プログラムに参加しました。色素増感太陽電池は、色素分子を使用して光を吸収して発電する低コストで軽量の太陽電池技術です。

「私を駆り立てたのは、私たちが光から利用できるエネルギーに移行する方法を本当に理解することでした。また、これがより多くの再生可能エネルギー源を手に入れるのにどのように役立つのかを理解することでもありました」とシュワッケ氏は言います。

高校卒業後、彼女は全米を横断してカリフォルニア工科大学へ向かいました。 「まったく新しい分野に挑戦したかったのです」と彼女は言います。そこでは、人間の髪の毛よりも数千倍も薄いナノ構造材料などの材料科学を学びました。彼女は、材料特性と微細構造（材料の挙動を決定する小さな内部構造）に焦点を当て、それが彼女を電池や燃料電池などの電気化学システムに導きました。

AIエネルギーチャレンジ

MIT では、エネルギー技術の研究を続けました。彼女は大学院1年生の2020年秋、まだキャンパスが新型コロナウイルス感染症対策の厳格なプロトコルの下で運営されていたとき、Zoomミーティングでユルディスさんと出会った。ユルディズの研究室では、燃料電池、電池、電解槽などの技術において、荷電原子またはイオンが材料中をどのように移動するかを研究しています。

この研究室での脳を利用したコンピューティングの研究はシュヴァッケさんの想像力を刺激しましたが、彼女は同様にユルディスさんの科学についての語り口にも惹かれました。

「それは専門用語に基づいておらず、システム内で何が起こっているのかを根本的に理解するために、何が起こっているのか、つまりイオンがここに行き、電子がここに行くという非常に基本的な理解を強調しました」とシュヴァッケ氏は言う。

その考え方が彼女の研究へのアプローチを形作りました。彼女の初期のプロジェクトは、これらのデバイスが適切に動作するために必要な特性 (高速動作、低エネルギー使用、半導体技術との互換性) と、環境中に流出してデバイスを不安定にする可能性がある水素の代わりにマグネシウム イオンを使用することに焦点を当てていました。

彼女の博士論文の焦点である現在のプロジェクトは、電気特性を正確に調整できる金属酸化物である酸化タングステンへのマグネシウムイオンの挿入がその電気抵抗をどのように変化させるかを理解することに焦点を当てています。これらのデバイスでは、酸化タングステンがチャネル層として機能し、シナプスが脳内の信号を調節するのと同じように、抵抗が信号強度を制御します。

「私はこれらのデバイスがチャネルコンダクタンスをどのように変化させるかを正確に理解しようとしています」とシュワッケ氏は言う。

シュワッケ氏の研究は、2023 年と 2024 年に工学部から MathWorks フェローシップを受賞しました。このフェローシップは、研究で MATLAB や Simulink などのツールを活用する大学院生をサポートしています。 Schwacke は、重要なデータの分析と視覚化に MATLAB を適用しました。

ユルディズ氏は、シュヴァッケ氏の研究は、AI の最大の課題の 1 つを解決するための新たな一歩であると説明しています。

「これは脳からインスピレーションを得たコンピューティングのための電気化学です」とユルディス氏は言う。 「これは電気化学にとって新しい文脈ですが、エネルギー的な意味合いもあります。コンピューティングのエネルギー消費が持続不可能なほど増加しているためです。私たちは、はるかに低いエネルギーでコンピューティングを行う新しい方法を見つける必要があり、これは私たちがその方向に進むのに役立つ方法の 1 つです。」

他の先駆的な研究と同様に、特に電気化学と半導体物理学の間の概念の橋渡しにおいては課題が伴います。

「私たちのグループは固体化学の出身であり、マグネシウムの研究を始めたとき、これまでこの種のデバイスにマグネシウムを使用した人は誰もいませんでした」とシュワッケ氏は言います。 「そこで、私たちはインスピレーションと、使用できるさまざまな材料や戦略を求めてマグネシウム電池の文献を調べていました。これを始めたとき、私は単に 1 つの分野の言語と基準を学んでいたのではありませんでした。2 つの分野についてそれを学び、さらに 2 つの分野の間で翻訳しようとしていました。」

彼女はまた、すべての科学者にとって馴染みのある課題、つまり、乱雑なデータをどのように理解するかという課題にも取り組んでいます。

「主な課題は、データを取得して、それが正しい方法で解釈されていることがわかり、それが実際に何を意味するかを理解できるようにすることです」とシュワッケ氏は言います。

彼女は、神経科学や電気工学など、さまざまな分野の同僚と緊密に協力し、時には実験に小さな変更を加えて次に何が起こるかを観察することで、ハードルを乗り越えています。

コミュニティの問題

シュワッケ氏は研究室で活躍しているだけではありません。 Kitchen Matters では、彼女と他の DMSE 大学院生が、ケンブリッジ サイエンス フェアや子供向けの実践的なアクティビティを備えた放課後プログラムである Steam It Up などの地元のイベントにブースを設置しました。

「私たちは『pHun with Food』を行い、『fun』の綴りに pH を付けたので、pH 指標としてキャベツジュースを使用しました」とシュワッケ氏は言います。 「子供たちにレモン汁、酢、食器用洗剤の pH をテストさせました。子供たちはさまざまな液体を混ぜて、さまざまな色を見るのをとても楽しんでいました。」

彼女は、DMSE の大学院生グループである大学院マテリアル評議会のソーシャルチェアおよび会計も務めました。カリフォルニア工科大学の学部生だった彼女は、若い女性が科学分野でのキャリアを追求することを奨励する学生主導のグループであるロボガルズで科学とテクノロジーのワークショップを主導し、同校の夏季学部研究フェローシップへの学生の応募を支援しました。

シュヴァッケさんにとって、これらの経験は、さまざまな聴衆に科学を説明する能力を磨いており、子供向け展示会や研究会議で発表する場合でも、このスキルが不可欠であると彼女は考えています。

「私はいつも、視聴者はどこから始めるべきなのか、そして、私がやっていることを理解してもらうためには、その前に何を説明する必要があるのか、と考えています。」彼女は言います。

シュワッケ氏は、コミュニケーション能力がコミュニティ構築の中心となると考えており、これは研究を行う上で重要な部分であると考えています。 「アイデアを広めるのに役立ちます。取り組んでいることについて新しい視点を得るのに常に役立ちます」と彼女は言います。 「また、それが博士課程の間、正気を保ってくれるとも思います。」

ユルディズさんは、シュヴァッケさんのコミュニティへの関与が履歴書の重要な部分であると考えています。 「彼女は、より広範なコミュニティに研究を行い、科学に興味を持ち、科学技術を追求するよう動機づけるためにこれらすべての活動を行っていますが、その能力は彼女自身の研究や学術的取り組みの進歩にも役立ちます。」

シュヴァッケさんは博士号取得後、そのコミュニケーション能力を学界に活かし、次世代の科学者やエンジニアにインスピレーションを与えたいと考えています。ユルディズさんは、彼女が成長することに何の疑いもありません。

「彼女は完璧に適任だと思います」とユルディスは言う。 「彼女は優秀ですが、その輝きだけでは十分ではありません。彼女は粘り強く、立ち直る力があります。それに加えて、本当に必要なものです。」