什么是数字孪生？如何制造一个数字人？

hzqadmin 阅读：55 2024-08-27 20:29:16 评论：0

文章背景：去参加科普讲座，多了解不同的领域，以免闭门造车。

这是公号第83篇原创。

讲座感想

《硅基生命与数字孪生》

全文共5533字，阅读时间约15分钟

这段时间写了两篇讲座的记录，虽然阅读量不多，但我发现有些读者很用心，用听的方式听过了全文。

这种方式很好，确实能加深理解的。因为文章的专业名词太多，一眼扫过几乎就忘记了，看完全文还晕乎乎。

听文章的话，容易入心入脑，有助于弄明白。

其实我也是首次接触这些领域的知识。为什么这么少人看文章，我还坚持写出来呢？因为写作是一种输出，写的过程在思考、在吸收，其实也加深自己的理解。

至于这些知识，也不一定是真理哦，大家选择性吸收吧。

由于本人理工科知识水平有限，对讲座的内容可能理解不够，可能文章会出现错漏，敬请多多理解哦。

但接触不同领域对我们也有好处的，帮助开拓视野。

感谢继续支持我的读者，没看过前文的可以点击。

第一篇文章我们初步了解了人脑的学习特点、碳基生命和硅基生命的区别。

详情点击这里：为了更好地鸡娃，可以禁止孩子接触网络吗？

第二篇文章，我们了解人体的结构，在底层的生命逻辑上产生新的理解，认识到生命是由硬件和软件合并在一起来完成功能的综合效应。

生命=物质（耗散结构）+信息（遗传编码）

详细解读见：生命是什么？孩子怎样理解熵？

今天的文章，我们继续探讨人体奥秘。

讲座记录

其实生命跟计算机人工智能在框架上的设计是非常相似的，有相通的地方。

即我们取得信息科学、人工智能和计算机的进步，大前提是模拟生命体的构造，模拟信息控制和操作。

我们希望能够通过人工智能的角度来理解复杂生命。

首先硅基生命学习碳基生命的自然设计。

所谓“道法自然”，应该先从自然中去理解最基础的组成成分。

碳基生命的设计和改造是基于硅基生命涌现出了一些新的模式，可以帮助我们对碳基生命有更好的理解。

从物质的结构和信息来说，人体有两种主要的组成成分。其中最主要的就是由遗传编码所构建的一套信息体系。

上世纪50年代发现DNA双螺旋结构，它构建了一个非常核心的基础。

现代生物学发展的基础理论，在于理解人体的过程，指从基因到转录到蛋白，从信息变化的流向来理解生命

。

这样建立了最基础的框架，从DNA到RNA的蛋白转录、变化、翻译的过程中，实现了每一个细胞独特的功能，实现了我们运动、思考、各种行为的基础。

这里面有非常匹配的规律，比如说四种核苷酸，每三种核苷酸对应一个氨基酸，它们有成倍匹配的效应，非常精巧。

第一次呈现出生物学中可定量的、可进行判断和预测的规律。呈现出理论上推导的可能性，让我们对生命的理解有深入的提高。

以前可能会觉得很多东西都是看上去是乱糟糟的，它们只是碰在一起，随机发生了很多过程。

但我们的细胞却是这么严谨，遵循一套逻辑。就像软件写在那里，然后身体和细胞只不过是把这些信息给表达出来，把它执行出来。

这样看，在生命的信息流里面体现了核心的控制思想，就相当于在这些细胞里有了一个架构师，有灵魂力；就像指挥家一样，控制整场节奏、演奏，可以把各方面协调在一起，而且信息在每一个细胞里是通过DNA中心法则一层层地传递出来。

对个体而言，它又是从受精卵，不断地增殖分化，变成身体中的各类型细胞。

因此，可以看到信息流的流向和以细胞为基础的物质流的流向，这两种流向合并到一起，形成人体的整体，一个具有多种变化功能的实体。

即我们有一个信息流的“软件”控制的载体，有一个基于人体细胞组成的物质架构的载体，两种载体合在一起，形成了一个复杂的人的生命。

生命底层信息的理解，是我们能够实现将人进行数字化的基础。

我们从更大的角度去理解看待生命，通过充分地认识细胞，从而更深入地了解整个人体。

在哲学上叫做：“一花一世界，一沙一天地。”通过很细微的地方，能够窥见整个宇宙无穷无尽的奥秘。

比如细胞，精细到高分辨率的角度上看，它有隐藏在里面的细胞核，在细胞核里面有很多层细胞膜缠绕的纤维结构。

好像高速公路一样，它会把物质从细胞的各个地方运输到发挥功能的场所，比如相应的高级处理的工厂、加工车间。

DNA也是通过信息的载体，传输各种信号、各种指令，然后这些不同的组件就进行相应的配合，完成工作。它是一个非常小、非常基础的窗口，让我们能够理解整体的生命。

所以从这个角度上，为了将人体生命进行数字化，进行信息化和结构上的未来处理，我们就要建立基于细胞层面的生命大模型，使得细胞的信息能够被广泛地采集，也能通过ChatGPT这种人工智能的方式，让细胞之间的通讯和组成关系能够进行模拟演练和预测。

怎么来实现呢？

这是从人工智能的数据大模型中去学习的关键点。

人工智能ChatGPT进行爆发式产生的过程，是一种很重要的模型，叫“涌现”。

“涌现”，是指看上去毫不相关的信息，大量聚集在一起之后，突然在临界点产生有规律的变化。

这种模式在自然界中也有，比如蚂蚁，单只蚂蚁有自己的行动，但是大量蚂蚁集中到一定的数量之后，会产生类似于社群迁移之类的集体行为。互相之间复杂的通信交流，是单个蚂蚁完成不了的。

所以“涌现”的前提就在于有大量、有规律的、有整合信息的数据集成在这里面。

以Chatgpt为代表的人工智能，对信息处理和标注的需求量很大。

国内也在充分升级基础性的数据，配合更强大的算力，推向模型，使得它的涌现呈现出重要的规律。

在这里面，我们希望能够基于硅基生命信息和结构中的一些理解，来采集高质量、大规模的注释数据，关于生命体的注释数据。

基于这种高质量的、大规模的注释数据，我们有希望建立人类生命体的智能化、硅基化、数字化。

那么，怎样做到的呢？

我们希望能够得到人体生命的原厂图。

大家在生活中都离不开汽车。汽车是由各种配件组成的复杂工具，但如果它出现任何问题，我们可以直接开到4s店里进行检修。

无论里面存在哪些问题，我们都可以对里面每一个部分进行整理或者更换。

能够做到这点，是因为我们有精细的图纸，清楚汽车的每部分构成，知道每个配件的位置和功能，了解它的使用寿命。

对人体来说，我们是不是也能够构建一张非常精确的“图纸”？清楚每个器官，比如知道心脏在承受什么样的压力，它在什么阶段会与其他的细胞或者肺脏发生什么样的通信联系？

在不同的状态（早晨、中午、晚上），或是在餐前餐后，各个脏器又呈现什么样的变化？

人体有50多万亿个细胞，这里面的每个细胞，他们执行什么样的功能？在人体青少年期是什么样子？到中年的过程又会产生什么变化？

这是构建一个数字化的人类和硅基生命的核心。需要能够理解和掌握的基础信息，这是构建未来生命体模型的重要元素。

我们希望通过现在的科学研究，把人体中间的每一个部件搞清楚，把它的功能够理解得透彻，系统性地完成工作。

纵观整个人类生命科学，人类健康发展的上两百年历史，还没有像这样系统性的方式来理解过。

我们希望能够开展一个史无前例的科学工程。

就像阿波罗登月一样，要解决登月过程中的所有问题，比如：原料从哪里来，动力从哪里来？图纸怎么画？精确的升空时间？构建设计的参数等等。

这些年在国家的整体布局下，广州有能力构建一个极大的科学装置，把人体中所有的细胞都进行数字化的处理。

能够获得人体几十万亿个细胞里，DNA结构所有的信息。有了物质信息和遗传信息融合到一起的信息载体，我们就能充分构建硅基化、数字化的生命体。

为什么要做这个事情呢？纵观科学发展的变化历程，我们知道以前是小规模的实验室，很难对一些具体的研究做深入的理解。

但是人体这么复杂，从组织、器官到各个层次上的关联，它需要有一个非常强大的观测和检测能力，对人体所有的指征类型进行标定。

就好像我们希望有一个特别大的天文望远镜，类似我国的天眼、国际上的伽利略这种类，它的口径越大，波长越短，分辨率和灵敏度就越高，这就拥有了对稀有天文事件的能力。

我们希望能够探测宇宙中最深最远的部分。

因为有了强大的观测能力，我们可以知道宇宙起源最早发生的事件，可以看到星系中间逐渐在变化或扩张，产生了新的内容。

人体由细胞组成的，结构像宇宙一样庞大。我们也希望有非常强大的能力，把所有的细胞，尤其是组成生命的关键部分，全部进行测定。

为了达成这个目标，我们在数字化生命构建的过程中，建立了一个面向未来科学研究的实验室。

左边这是常规的实验室，常在学校或者研究机构看到，现在仍然是靠大量人工进行小范围的操作，实验室摆放混乱，每天产生很多过程，然后把每个过程拼凑在一起，才完成实验操作。

我们未来的实验室是不一样的。

为了解决数字化的生命和构建数字载体的硅基生命，那我们要建立一种智慧化、自动化的未来实验室。

这个实验室，全部由机器人在人的操作下完成，所有的工程都是靠管道和穿梭的载体来构建串联，在重要的环节设立5G信号，它每一个反应的步骤都可以上到云端。

我们可以实时监控：这个实验反应到什么步骤？到什么过程？收集到一个细胞，处理到什么阶段？

然后我们同时在这个过程中把所有的信息汇集到一起，再给它分配一个最优的方案

。

以前的实验室，可能有一部分人她只负责一些擅长的领域。

在未来的、智慧化的实验室里面，每个人的技能、擅长的方法都可以以信息计算的方式，把最优的资源以最快的方式能够进行并行的处理。这可能改变整个科学研究。

我们在每一个实验室中的设备上设立云端的信号（可以监控的），把每个环节写到软件里面去，通过电脑进行控制。

然后在每一个环路的对接口里，让机器与机器对话，就像人的交流一样，它可以产生信息的反馈。基于这些流程的设计，实验中它们会产生新的实验思路和方法。

在这种设计理念下，未来研究实验室里面，我们的操作可能很简单。比如在一个屏幕上，对控制的单元说：“今天要完成1000份心脏样本的消化处理。”

信息采集把命令输到屏幕里，它就分解成很多单元，有不同的操作步骤，然后控制中间的每一个反应过程。

样本进来之后，通过流程化的机器人进行分离移动，然后放置到不同的位置，产生关联上的分析和解释。

所以通过建立数字化生命的过程，我们建立了一种面向未来的实验室模式，这样能对整个科学领域的研究方法进行变更。

可能大家以后在实验室里，见到的不是穿白大褂的科学家做具体的操作。

在生命科学的实验室，可能大家只是讨论哪些地方需要做一些调整，然后通过指令程序的方式，来到中央的智慧体，对任务进行分化，对流程进行优化，我们在实际过程中做得更多的是考虑和设计。

这就是实验室的自动化产线，可以看到它有很多不同的单元，每个单元都分配在一个设备的标签条码。

每一个设备都有5g信号，上传到云端的信息集成，然后在流程解析之后，就可以用无人值守的方式，完成所有的操作。

有了这些操作（通过对生命的基础理解，即：DNA到RNA到蛋白的遗传信息流，以及基础的细胞结构的物质流），对遗传信息流和物质流双层收集信息之后，我们就可以进行数字化的呈现。

举一个例子，我们可以从大器官里获得所有存在这个组织的结构（皮肤、毛囊、纤维、骨骼，还有多种类型的脏器），包括每个区域上产生差别的组织结构，对它进一步分解，就是一个个具体的小细胞。

在细胞里面它进行自动化的消化、分离、捕获之后，我们还可以看到它亚细胞的结构，比如细胞器线粒体、细胞核、核酸各分布的位置。（仔细看下图中间的“空间信息”）

这样就构建了一个空间的层次信息，利用这种成像的全息技术，我们实际上可以做出三维构建。

图片很关键，看文章的时候一定要看图片才能理解。

可以获得一个数字化的器官，基于数字化器官存在不同的方向和位置，我们可以把它搭建成一个数字化的虚拟人体（仔细看上图右侧）。

有了这个虚拟人体之后，我们可以把人体50亿个细胞，每个细胞它定位的方向放在人体中的不同位置。

这些位置的信息回溯到底层，有遗传信息的核心载体所呈现的基因组的信息，比如说不同人种、或者是先天性高发疾病，它可能在基因组上产生一些重要的差别。

首先基因组显示出主要的身体状况、核心的基础信息，然后我们再从影像组，了解到组织器官、细胞结构所在的位置，和它们存在的区域形式。

就像城市一样，有互相存在、互相配合的关系。知道街道在哪里？小区在哪里？小区中间的居委会在什么位置？通过影像的各种方式，把确切的信息定位，然后转录。

蛋白组在里面就像中枢机构，是一个发挥指挥效应的部门，知道每一个部门转录状态的信息在什么地方，测量它的代班组在什么职位？负责具体功能的角色又发生了什么变化？它有什么样的特征？

至于代谢组，那就可以更精细的。

比如饭前饭后，运动前后，或者不同的年龄阶段（年轻的、中年、老年）每一个细胞反应和摄取能量的各种方式都不一样的。

这些核心信息就像我们的软件操作系统。

充分了解“软件信息”之后，结合硬件操作系统，把整个人体的各种构造，变成一个完全是基于信息和数字充分结合在一起的一个人，我们叫做数字孪生。

在这个层面上，一个正常的人，根据数字化的解释和充分后展示，可以构建出一个数字男生的体系。

可以看到他现在心脏是什么样的工作状态，他年龄到了六七十岁后，其他器官又是什么状态？

可以通过全息的虚拟方式，把中间的细节揭示出来，构建出来。

有了底层的信息，生命未来的制造和组合可以有无穷多的模型。

那到底能不能制作这样的模型呢？

教授说：“实际上在我的实验室，我已经在做相应的工作，已经逐渐把这个看上去很科幻的未来做法，落实到底。”

……

未完待续

哇，看到末尾是不是很惊讶呀？讲座的大教授已经在做数字人了。

大家好不好奇数字人做出来了吗？这个数字人会不会产生他自己的意识？

欲知后事如何，且听下回分解。

本文完，原创不易，禁止转载。

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