在人工智能技术飞速发展的今天，一个不容忽视的问题日益凸显：AI训练和运行所消耗的巨大能源。据研究显示，训练大型AI模型所需的能源是人类学习同等知识所需能源的数倍。面对这一挑战，MIT材料科学与工程系的博士生Miranda Schwacke正通过脑启发计算技术，探索一条更加可持续的AI发展道路。
科学探索的起点：从恐龙到材料科学
Miranda Schwacke的科学之路始于对恐龙的痴迷。"小时候我痴迷于恐龙，长大想成为古生物学家，"她回忆道。作为海洋生物学家母亲和电气工程师的女儿，Schwacke从小沉浸在科学环境中，这培养了她对自然世界的好奇心和探索欲。
在查尔斯顿的中学时期，她加入了FIRST乐高联盟机器人竞赛，与父亲一起设计和建造能够完成特定任务的机器人。这段经历不仅锻炼了她的工程思维，也让她体会到科学解决问题的实际应用价值。与此同时，她母亲在海洋与大气管理局研究污染对海豚种群影响的工作，则让她认识到科学如何帮助我们理解和改善世界。
高中阶段，Schwacke参加了学校的磁力项目，接触到材料科学这一跨学科领域。"我喜欢它从研究原子排列的基础科学，一直到我们日常生活中接触的固体材料，以及这些材料如何表现出我们可见和可操作的特性，"她解释道。这一兴趣促使她参与了一项关于染料敏化太阳能电池的研究项目，探索如何将光能转化为可用的电能，为可再生能源发展做出贡献。
跨越千里：从Caltech到MIT
高中毕业后，Schwacke选择了远赴加州理工学院学习材料科学。"我想尝试一个全新的地方，"她说。在Caltech，她专注于纳米结构材料（比人类头发细数千倍）及其性能和微观结构的研究，这为她后来研究电化学系统（如电池和燃料电池）奠定了基础。
2020年秋季，Schwacke加入MIT，继续探索能源技术。在新冠疫情限制下，她通过Zoom会议首次认识了她的导师Bilge Yildiz教授。Yildiz实验室研究带电离子（离子）在燃料电池、电池和电解器等技术的材料中的运动。
"实验室的脑启发计算研究激发了我的想象力，但同样吸引我的是Yildiz谈论科学的方式，"Schwacke表示。"它不基于行话，而是强调对基本过程的理解——离子在这里移动，电子在那里移动——从而从根本上理解系统正在发生什么。"
这种思维方式塑造了她的研究方法。她的早期项目关注这些设备有效工作所需的特性：快速操作、低能耗以及与半导体技术的兼容性。她还研究了使用镁离子替代氢离子的可能性，因为氢离子可能逃逸到环境中并导致设备不稳定。
突破性研究：镁离子与钨氧化物的电化学应用
Schwacke当前的博士论文研究集中在理解镁离子插入钨氧化物（一种电气特性可精确调节的金属氧化物）如何改变其电阻。在这些设备中，钨氧化物用作通道层，电阻控制信号强度，类似于大脑中突触调节信号。
"我试图确切理解这些设备如何改变通道电导，"Schwacke解释道。
这项研究获得了工程学院Mathworks奖学金的支持（2023年和2024年），该奖学金支持使用MATLAB或Simulink等工具的研究生；Schwacke应用MATLAB进行关键数据分析和可视化。
Yildiz教授将Schwacke的研究描述为解决AI最大挑战之一的新颖步骤。
"这是脑启发计算的电化学，"Yildiz说。"这是电化学的新背景，但也具有能源意义，因为计算的能源消耗正在不可持续地增长。我们必须找到以更低能耗进行计算的新方法，而这是帮助我们朝这个方向发展的途径之一。"
跨越学科边界的挑战
像任何开创性工作一样，Schwacke的研究面临着挑战，特别是在弥合电化学和半导体物理学概念之间的鸿沟。
"我们的团队来自固态化学背景，当我们开始研究镁时，没有人曾在这类设备中使用过镁，"Schwacke说。"所以我们查看镁电池文献以获取灵感，以及我们可以使用的不同材料和策略。当我开始这项工作时，我不仅仅是在学习一个领域的语言和规范——我试图学习两个领域的，并在两者之间进行翻译。"
她还面临着所有科学家都熟悉的挑战：如何理解混乱的数据。
"主要挑战是能够获取我的数据并知道我以正确的方式解释它，并且我理解它的实际含义，"Schwacke说。
她通过与神经科学和电气工程等领域的同事密切合作，有时只是对实验进行微小改变并观察接下来会发生什么，来克服这些困难。
科学传播与社区参与
Schwacke不仅在实验室活跃，还积极参与科学传播工作。她是Kitchen Matters小组的成员，这是一个由DMSE研究生组成的团体，他们使用食物和厨房工具通过短视频和外展活动解释科学概念。
两年前，当该小组制作关于如何建造结构稳固的姜饼屋的视频时，Schwacke在食谱中寻找能产生最显著差异的变量。她专注于黄油，其中含有的水在高温烘烤时会变成蒸汽，在饼干中形成气孔。Schwacke预测减少黄油用量会产生更密实的姜饼，足以支撑作为房屋的结构。
"这个假设展示了如何改变结构可以影响材料的性能和特性，"Schwacke在八分钟的视频中说。
在剑桥科学博览会和Steam It Up（一个为儿童提供实践活动的课后项目）等当地活动中，她和同学们设立了展位。"我们用'pHun with Food'（pHun中的'fun'用pH拼写），所以用卷心菜汁作为pH指示剂，"Schwacke说。"我们让孩子们测试柠檬汁、醋和洗涤剂的pH值，他们混合不同液体并看到各种颜色时玩得很开心。"
她还担任DMSE研究生团体——研究生材料委员会的社会主席和财务主管。在Caltech本科期间，她领导了Robogals的科学和技术研讨会，这是一个鼓励年轻女性追求科学事业的学生组织，并协助学生申请学校的暑期本科生研究奖学金。
对于Schwacke来说，这些经历磨练了她向不同受众解释科学的能力，她认为无论是在儿童博览会还是研究会议上展示，这都是一项至关重要的技能。
"我总是思考，我的听众从哪里开始，在我进入自己正在做的事情之前需要解释什么，这样他们才能理解？"她说。
Schwacke认为沟通能力对于建立社区至关重要，而她认为这是研究的重要组成部分。"它有助于传播想法。获得对你正在工作的新视角总是有帮助的，"她说。"我也认为这在我们攻读博士学位期间能保持我们的理智。"
未来展望：从实验室到课堂
完成博士学位后，Schwacke希望将她的沟通能力带入学术界，在那里激励下一代科学家和工程师。Yildiz对她未来的成功毫不怀疑。
"我认为她非常合适，"Yildiz说。"她很聪明，但光聪明是不够的。她坚持不懈，有韧性。在这些品质之上，你真的需要这些。"
Schwacke的研究代表了脑启发计算领域的重要进展，通过模仿大脑神经元和突触的工作方式，她开发的新型材料和设备有望显著降低AI的能源消耗。随着人工智能技术在各领域的广泛应用，这种低能耗计算方法不仅具有学术意义，更将对环境保护和可持续发展产生深远影响。
正如Schwacke通过姜饼屋实验所展示的，科学探索往往始于对日常现象的好奇，而通过系统性的研究和创新，这些看似简单的问题可以孕育出改变世界的突破。她的故事提醒我们，真正的科学进步不仅需要技术上的创新，还需要跨学科的视野和将复杂概念传达给更广泛公众的能力。
