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封面故事│疫情蔓全球 AI揪出超級病毒株

鄭重聲明
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監控新冠病毒演化圖示。(Graphen官網) 監控新冠病毒演化圖示。(Graphen官網)
林清詠(右)和公司人員合影。桌上是研究用機器人Adam。(熊傳慧/攝影) 林清詠(右)和公司人員合影。桌上是研究用機器人Adam。(熊傳慧/攝影)

2019年12月新冠肺炎爆發以來,確診病例在全球陸續出現,各國政府全力遏止疫情擴大,維持經濟及社會穩定,安撫人心。專長於人工智慧(AI)及大數據分析(Big Data Analysis)的圖策智能科技公司(Graphen, Inc.)創辦人兼執行長林清詠(Ching-Yung Lin)博士思考:能否透過人工智慧,掌握新冠病毒在全球的變異軌跡及變異結果,以助追蹤病毒株及研發疫苗?

成長複製時 病毒變異

3月11日,圖策智能公司發布了「監控新冠病毒演化」平台(Monitoring COVID-19),公布了全球新冠病毒的數百種變異和擴及全球的傳播途徑,是全球第一個提供控制和預防的平台。

林清詠投入人工智慧及大數據領域20年,累積了諸多研發成果。他回顧發展「監控新冠病毒演化」平台的過程,說,這項研究並沒有政府部門或醫療機構支持,他只想著能完成病毒株的追蹤及變異,分享給更多研究者使用,對新冠病毒的研究貢獻一份心力。同時,這是人工智能支持精密醫學發展的例子。

建置「監控新冠病毒演化」平台計畫於3月1日啟動。林清詠帶著團隊,把2019年12月以來全球的新冠病毒排序資料,以全基因組序列(whole genome sequences)路徑分析,把彙整在一個平台上。這些病毒資料是全世界實驗室分享的。

林清詠和團隊以一周時間,分析了COVID-19病毒SARS-CoV-2與世界各地的400多支病毒株,並分析了50種以上已知的全基因組測序變體,了解每支病毒的突變,並找出這些變異在近3萬處的基因位置點(Genetic Locations)如何變化,可識別病毒的演化鏈及群集體,確定突變及擴散的過程。分析得知,病毒的變異,「多數是在人體中成長複製時造成的」。

僅一周時間 找到亞型

3月初著手時,有250個病毒株樣本,到3月5日上午9點,累積了272個病毒株樣本。林清詠說,這272個樣本中有10個樣本是蝙蝠、穿山甲的基因,不是人類的基因;去掉這10個後,有262個病毒株樣本。

從分析病毒株找到變異的答案,這好像很難懂。林清詠解釋,基因是生物機制,它在人體細胞一直在複製,基因變異的概念是:基因位於染色體上,在生物體內不斷地複製。在這過程中,有可能會寫錯,因此會發生基因突變(Mutation)。

病毒也是一樣,進入人體後,透過分裂、複製不斷增長,再散布出去,因此病毒也會變異。而且,基因組可能會重複或少掉一些片段,因此,以「對準/對齊」(Alignment)來得到這262個病毒株的3萬個基因位點之後,可以找出每個基因位點的通常值是什麼,當把這所有值組合起來後,就可以得到一個基因序列。這個序列不見得會對應到一個確切的病毒株,但是我們可以稱其為原型病毒的基因體。而在這些新冠病毒中,的確有90個病毒株屬於原型病毒,所以這些也可以稱之為第一代病毒。

林清詠說:「這是比較複雜的過程。」他和團隊連日研究,整個計畫於3月10日完成,僅僅一周。3月11日,圖策智能公司發布了全球首個人工智慧AI「監控新冠病毒演化」平台,以病毒基因序列路徑分析,將每一個病毒株和原型病毒株比較,可以很清楚的看到是從哪一個病毒株變成哪一個病毒株,以及這數百個病毒株在世界各地是如何演變的,同時分析出幾株傳播力強的病毒亞型。

封面故事│感冒? 染疫? 輕症莫慌

超級傳播者 影響歐洲

他以兩個可能的超級傳播者為例,說明「監控新冠病毒演化」平台的發現。

一,1月5日在武漢確認的病例,其病毒株後來在台灣、比利時和澳大利亞出現,華盛頓州大多數初期病例也屬於同一株病毒。武漢1月24日確診病例的另一種病毒,擴散到德國、義大利和瑞士,最終導致影響整個歐洲。

二,帶有多代變異的病毒株,出現在北京和韓國;而在鑽石公主號郵輪上感染新冠肺炎的人,測試呈現陽性,他們體內的病毒大多是新冠病毒的原型病毒。

林清詠展示病毒演化圖,每個紅色點代表一支已經基因定序的病毒株,每個綠色點是一支相同變異的集合。綠色點之間的箭頭指向代表演化。紅色點和綠色點的連結,代表這支病毒株是哪一個集合。分析得知,在清楚所有病毒株的確切變異之後,就可以找出每支病毒的上一代是哪一支。

他說,新冠肺炎是新的疾病,但病毒會變異,變異之後可能會有兩種結果,一是傳播能力改變,二是攻擊能力改變。他所做的監控研究,借助網絡科技的科學分析,可以直觀地看到病毒在全球的傳播、突變和傳播方式,了解序列變化與疾病流行之間的關係。

現在,實驗室要搞清楚新冠病毒有哪些型在傳播,「但疫苗若只針對原型病毒是不夠的」,所以,要找到比較會傳播的那個病毒株,針對病毒株的基因研發疫苗。林清詠說,「監控新冠病毒演化」平台可為研究人員提供臨床治療、藥物和疫苗開發的參考,也有助公共衛生單位預測病毒的傳播速度,是人工智能支持精密醫學發展的例子。

從原始資料 找到子孫

林清詠來自台灣,在台灣大學獲得電機工程學士、碩士,2000年取得哥倫比亞大學電機工程博士。隨後他加入IBM,專注於圖運算及AI科技研發領域,於IBM的華生實驗室(T. J. Watson Labs)創立網路科學及機器智能部門,研發數十項專利,並當到首席科學家。2011年,他被提升國際電機電子工程師學會(IEEE)FELLOW,是IEEE網絡科學領域首位FELLOW。IEEE對工業界的定義標準有極大影響,會員來自175個國家,有42萬人。

他的研究興趣主要是多模組型態信號分析、網絡分析,以及運用人工智慧處理社會科學和認知科學。2017年,他離開IBM創業,在紐約以新創事業成立圖策智能公司,建立下一代人工智慧(AI)平台,創造行業解決方案,提供金融服務的AI解決方案、醫療保健和網絡安全。

圖策智能科技(Graphen, Inc.)創辦人兼執行長林清詠博士。(熊傳慧/攝影) 圖策智能科技(Graphen, Inc.)創辦人兼執行長林清詠博士。(熊傳慧/攝影)

以這次開發「監控新冠病毒演化」平台為例,林清詠說明AI和大數據對醫療領域的貢獻。從這400多株病毒中,發現有90個病毒株的定序完全一樣,也就是原始病毒;其中,同一株最大病毒株很多來自香港、深圳、武漢,下一個連到新加坡,完全看出病毒在哪個城市變異的,以及該病毒株和其他病毒株的關係。更進一步發現,義大利有兩例和新加坡某一例的病毒株很相近。

他形容:「我們可以從原始資料,找到某個病毒株的子子孫孫。」

新冠肺炎發展至今,沒有現成的工具包來分析病毒。圖策智能公司成員背景是電腦工程,林清詠帶領他們從世界各地實驗室取得病毒資料,團隊很快寫Code,分析大數據,完成病毒基因序列路徑分析,把訊息放上公司網頁,分享給大家。他說,有科學依據,做起來就很快。

疫情爆發之後,醫學界已有論文討論案例。他一邊進行計畫,同時也將工作成果與已發表的論文做比對。1月底的10個案例、2月底的80個案例,比對之後大致相同。

未來醫療 精準個人化 

開發「監控新冠病毒演化」平台,並沒有政府部門或醫療機構支持。他說,科學要能應用,對人類有貢獻;了解新冠病毒是當務之急,他希望這個平台提供的資料可以對醫療及公共衛生有所助益。

他曾與台灣中央研究院化學研究所合作,研究基因演化對肺癌的影響,作法是檢測基因蛋白,預測癌症走向。他說,「未來的醫療是個人化的精準醫療」,身體裡的基因會突變,基因突變是造成癌症的原因,如果能知道一個人的基因的改變,有助對症下藥。

創業不久,林清詠向法國一家公司購買一個研究用機器人,大約2英尺高,花了1萬元。這個機器人作為醫生,取名Adam。團隊為Adam建置了醫療資料庫及病人資料庫,使用者向Adam陳述自己的症狀,Adam收到語音信息並閱讀後,了解病史及過去治療方法及用藥,研判病情會往哪個方向發展。

接下來,Adam從資料庫中整理結果及建議,再以語音訊息回傳給使用者,告訴你可能得了什麼病,並預測用不同藥物造成的結果及風險。他說:「這就是大數據的應用。」

林清詠說,大數據的特點是把所有的數據做非常精細的分析,不是概括式的分析。例如,某個人的行為(如消費、健康)確確實實如何演變,分析後能針對他推薦商品,或是能對症下藥,這些都是個人化的方向。

圖策智能人員展示機器人Adam。(熊傳慧/攝影) 圖策智能人員展示機器人Adam。(熊傳慧/攝影)

機器人研究 多元應用

他把在哥倫比亞大學的大數據分析課程,分享到網上。2015年至2017年若上百度搜索關鍵字「大數據分析」,林清詠一直佔據第一名,可以找得到五、六百個項目,他以開源(Open Source)作法,讓所有人可以使用。

大數據是發展AI的基礎。若是以一句話形容AI,林清詠說,AI就是機器能做到人能做的一些事,也就是透過機器人展現AI能力,是一種展現、結合。現在家務應用已經很多,如掃地機器人就是。

然而,機器人更進一步,機器人有動作,和人有互動和連結(Engagement),你講話它還會朝著你。現在已開發出的機器寵物狗,就是,有陪伴的感覺;也可期待機器人在長期照護上的應用,例如協助粗重家務。

2012年到2015年,林清詠在IBM期間,領導一個40人的團隊,參與美國最大社交媒體分析項目,共完成26項任務,發表100多篇論文。有些題目是從未研究過的。例如,如何判斷假新聞、是誰在網路上造謠;又例如,將影像放在網上,預測這些影像能傳播多遠、帶給觀看者什麼感覺。

影像識別目前都是名詞,如方的、高的、圓的,他的研究是「影像帶給觀看者的感覺」,是興奮的、悲傷的、平靜的還是可怕的。這也是從事影像形容詞研究的首個團隊。形容影像,是希望建立情感(Emotion)的模型,這對多媒體訊息的傳播有多遠,很重要。

數據分析 找到Unknowns

這項研究,也是讓機器人首次能有人類的感官能力和價值觀。這對機器人功能的研發,有重要作用。

林清詠創業目標是建立下一代人工智慧平台,作法是「模仿全腦功能」。他說:「機器人要擁有人工智慧,不只能講話,還要能夠對話,這樣的發展方向才能說服人。」若是將機器人發展出個性,可以根據個性設計它做不同的事,那麼,它能做一件事,肯定也能處理五倍以上的事。

圖策智能以模仿全腦功能漸立下一代人工智慧。(Graphen官網) 圖策智能以模仿全腦功能漸立下一代人工智慧。(Graphen官網)

圖策智能公司在金融領域的成果包括數位金融、資安管理、洗錢防制。數位金融方面,圖策智能開發了虛擬交易員平台,透過心理學的五大性格特質理論,設計出每個交易員不同的個性,交易員會自動進行交易。傳統來說,一般人並不知道交易員的個性,打個電話就買下去了,如果不喜歡可以換;但若交易行為是根據個性來做決定,投資人可以選一個虛擬交易員為分身,讓它幫你做決定。這個虛擬平台正在測試,預定今年上線。

洗錢防制方面,圖策智能為紐約一家銀行建置了系統監視牆,透過數據庫分析,可發現曾發生過的一些「未知的不確定因素」(Unknown Unknowns)。林清詠說,金融機構根本不知道有洗錢的存在,也不知道有哪些洗錢的方法,但是根據大量數據,可以找到一些原本找不到的跡象和線索,也就是「以自我學習的方式找出異常」。現在,他正和亞洲地區某些金融機構討論布建這套系統。

以AI解密 原點是人

身為科學家,林清詠關懷及研究方向一直是「人」,尤其是結合資訊科技和社會科學解決人類遇到的挑戰,或是以資訊科技協助人活得更健康。他說,人類思考過程本身,就是人類的科學發展,「其實就是在解密」。他說。若是把玄學的東西以實際數字來表示,探討怎麼一回事,是人類智慧能力的表現。AI在解密上,能思考和判斷,「在某種程度上,機器可以做得比人類更好」。

人類發展源於不同的創造,人能不能更快樂、更便利、更安全、更健康,文明就是如此發展而來。AI可以成為人類文明發展的重要核心,如果機器人可以思考、判斷,把哲學、心理學、語言學的特徵逐一解密,慢慢去解決更複雜的問題。

一直以來,林清詠以電腦方式解決問題,有時是社會層次的問題,有時是個人行為的問題,兩年前開始進入醫學領域,希望以科學家的人文面分析社會,而且是用可驗證的角度來做。」他現在做的是大家都關注的事,像這次新冠病毒研究,沒有機構贊助,也沒有實際收益,但是他希望透過解密及分享,供治療和研發參考。他說:「我的原點,還是人。」

(取材自圖策智能科技公司官網) (取材自圖策智能科技公司官網)



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