北卡罗来纳大学团队开发能"看"懂运动规律的AI系统

这项由北卡罗来纳大学教堂山分校的刘佳琪、上海人工智能实验室的王傲然等来自多个顶尖研究机构的科学家共同完成的研究，于2025年8月24日发表在arXiv预印本平台上，论文编号为arXiv:2508.17380v1。感兴趣的读者可以通过https://jiaaqiliu.github.io/VIPER-R1/访问项目主页获取更多详细信息。

当我们看到一个荡秋千的孩子时，物理学家的大脑会自动运转：这是一个简单谐振动，可能受到空气阻力和重力的影响。但如果让计算机也拥有这种"物理直觉"会怎样？这正是这项突破性研究要解决的核心问题。

过去，科学家们一直梦想着能让机器自动发现自然界的物理定律。传统的方法就像让一个盲人在黑暗中摸索宝藏——它们只能处理数字数据，完全看不到运动的视觉模式，这就好比让一个从未见过球类运动的人仅凭数据就要推导出足球的运动规律。这种"感官剥夺"严重限制了机器理解物理现象的能力。

为了解决这个问题，研究团队开发了一个名为VIPER-R1的人工智能系统。这个系统就像是一位既有敏锐观察力又具备深厚数学功底的物理学家。它不仅能"看"到物体的运动轨迹，还能像人类科学家一样，将观察到的现象转化为精确的数学公式。

想象一下，当你看到一个弹簧上下振动时，你的眼睛看到的是有规律的运动模式，大脑会自动联想到弹性力和惯性。VIPER-R1也是这样工作的：它通过"眼睛"（视觉处理模块）观察运动图像，通过"大脑"（语言模型）进行推理，最终写出描述这个系统的数学方程式。

这套系统最令人印象深刻的地方在于它的学习过程。就像训练一名医学生先学基础知识再做临床实践一样，VIPER-R1也经历了两个训练阶段。第一阶段叫做"运动结构归纳"，系统学习如何从视觉现象中识别物理模式，就像学生学习识别不同类型的心电图一样。第二阶段是"奖励引导的符号校准"，系统通过不断尝试和改进来提高生成物理公式的准确性，就像医生通过实践逐步提高诊断技能。

更有趣的是，VIPER-R1还具备了"工具使用"的能力。当它生成了一个初步的物理公式后，会主动调用外部的符号回归工具来进一步优化这个公式，就像一位科学家会使用计算器来验证和精化自己的计算结果。这种"符号残差重对齐"技术让系统能够在理论预测和实际观测之间找到最佳平衡。

为了训练和测试这个系统，研究团队还创建了一个名为PhysSymbol的大型数据集，包含5000个不同的物理系统实例。这个数据集就像是一本超级丰富的物理教科书，每个例子都包含了运动的可视化图像、详细的数值数据、标准答案（真实的物理公式），以及专家级的推理过程解释。

在实际测试中，VIPER-R1展现出了令人瞩目的性能。与目前最先进的大语言模型相比，包括GPT-4、Claude等知名系统，VIPER-R1在识别物理公式结构方面的准确率达到了81.2%，远超其他系统的最高成绩51.8%。更重要的是，在最终的物理定律发现准确性上，VIPER-R1的误差仅为0.032，而最好的基线系统误差为0.091，相当于提升了近三倍。

让我们通过一个具体例子来理解VIPER-R1的工作原理。假设系统观察到一个复杂的振动系统，包含线性恢复力、非线性阻尼和随机噪声。VIPER-R1首先"看"到运动图像中的振荡模式，识别出这表明存在恢复力。接着，它注意到相空间图中的螺旋形吸引子结构，推断出存在非线性阻尼项。最后，它发现轨迹中的不规则波动，判断存在随机噪声成分。基于这些观察，系统生成了一个接近真实答案的数学公式：1.454 * x - 2.834 * v? + 0.447 * random.normal(0,1)，而真实答案是1.542 * x - 2.766 * v? + 0.450 * random.normal(0,1)。

这种能力的意义远不止于学术研究。在工程领域，VIPER-R1可以帮助工程师从实验数据中快速发现系统的控制规律。在材料科学中，它能从材料的力学响应中推导出本构关系。在生物学研究中，它可能帮助科学家从生物系统的动态行为中发现新的生物学定律。甚至在金融领域，类似的方法也可能用于从市场数据的视觉模式中发现交易规律。

当然，这项研究也面临一些挑战和限制。目前的系统主要处理经典力学问题，对于量子力学、相对论等更复杂的物理领域还需要进一步扩展。此外，从计算机模拟的"理想"数据过渡到真实世界的"嘈杂"实验数据，也需要更多的技术突破。

研究团队还进行了详细的消融研究，证明了系统各个组件的重要性。他们发现，仅使用运动结构归纳阶段就能将结构准确率从基础模型的9.6%提升到55.4%，而加上奖励引导的符号校准后，准确率进一步提升到81.2%。这就像是证明了既需要好的"眼力"来观察现象，也需要好的"推理能力"来形成正确的数学表达。

值得注意的是，VIPER-R1的推理过程具有很强的可解释性。系统不是简单地输出一个公式，而是会详细解释它是如何从视觉观察得出结论的。例如，它会说："从x(t)图中的振荡行为可以看出存在线性恢复力，从v(x)相空间图中的螺旋吸引子结构可以推断出非线性阻尼项的存在。"这种透明的推理过程让科学家能够理解和验证AI的发现过程。

从技术角度看，VIPER-R1还展现了一种新的人工智能发展趋势——多模态科学发现。传统的AI要么专注于文本，要么专注于图像，很少有系统能够像人类科学家一样，同时处理视觉观察、数学推理和符号操作。VIPER-R1成功地将这些能力整合在一个统一的框架中，为未来的科学AI系统提供了重要启发。

这项研究的另一个创新点是引入了"因果链式思维"训练方法。系统不仅学习正确的答案，更重要的是学习达到答案的推理过程。这就像教学生不仅要知道2+2=4，更要理解为什么等于4。这种训练方式让VIPER-R1具备了更强的泛化能力和推理透明度。

在实际应用层面，VIPER-R1采用了一种"代理式"的工作模式。当系统对自己生成的公式有了初步信心后，它会主动调用外部的符号回归工具来进一步优化结果。这种设计理念体现了现代AI系统的一个重要趋势：不是要求单一系统解决所有问题，而是让不同的专业工具协同工作，发挥各自的优势。

从数据集建设角度，PhysSymbol数据集的构建也颇具创新性。研究团队不是简单地收集现有数据，而是系统性地设计了涵盖各种物理现象的综合数据集。数据集包含了线性和非线性恢复力、各种阻尼类型、外部驱动力、随机扰动等11个类别的物理现象，确保了训练数据的丰富性和代表性。

特别值得一提的是，研究团队还为每个物理系统生成了两种互补的可视化：相空间图和时间序列图。相空间图揭示系统的动力学结构和稳定性特征，而时间序列图强调时域行为和周期模式。这种双重视觉表示让VIPER-R1能够从不同角度理解物理现象，就像医生既看X光片又看血液检查报告一样。

在模型架构方面，VIPER-R1基于Qwen-VL-2.5系列模型构建，提供了3B和7B两个版本。较大的7B模型在各项指标上都表现更优，但即使是较小的3B模型也能超越所有现有的基线系统，这说明了方法本身的有效性，而不仅仅是依赖模型规模的提升。

从评估方法学角度，研究团队设计了三个互补的评价指标：结构得分评估公式的拓扑正确性，准确度得分评估精确匹配程度，而最终的均方误差则评估端到端的物理定律发现性能。这种多维度评估确保了系统性能评价的全面性和可靠性。

研究团队还提供了丰富的案例分析，展示了VIPER-R1在处理不同类型物理系统时的推理过程。从简单的线性恢复力系统到包含随机噪声的复杂非线性系统，VIPER-R1都能给出合理的分析和准确的预测。这些案例不仅验证了方法的有效性，也为其他研究者提供了宝贵的参考。

展望未来，这项研究为科学发现的自动化开辟了新的道路。随着技术的进一步发展，我们可能会看到更多能够"看懂"实验现象的AI科学家助手，它们不仅能处理物理学问题，还可能扩展到化学、生物学、工程学等其他科学领域。这将极大地加速科学发现的过程，帮助人类更快地理解和掌握自然规律。

说到底，VIPER-R1的成功在于它真正模拟了人类科学家的认知过程：观察现象、形成假设、验证理论。它不是简单的数据拟合工具，而是一个能够进行科学推理的智能系统。虽然我们距离真正的"AI科学家"还有很长的路要走，但VIPER-R1无疑是这个方向上的重要一步。它向我们展示了人工智能在科学发现中的巨大潜力，也为未来的研究指明了方向。对于普通人来说，这意味着未来我们可能会看到更多由AI辅助完成的科学突破，从新材料的发现到药物的研发，人工智能将成为推动科学进步的重要力量。

Q&A

Q1：VIPER-R1是什么？它能做什么？

A：VIPER-R1是北卡罗来纳大学等机构开发的AI系统，能像物理学家一样从运动图像中发现物理定律。它不仅能"看"懂物体的运动模式，还能将观察到的现象转化为精确的数学公式，就像人类科学家分析实验数据一样。

Q2：VIPER-R1比现有AI系统好在哪里？

A：与GPT-4、Claude等只能处理文字的AI不同，VIPER-R1能同时处理图像和数据。在物理公式识别准确率上达到81.2%，远超其他系统的51.8%，最终发现物理定律的误差也比最好的基线系统低了近三倍。

Q3：这项技术有什么实际应用价值？

A：VIPER-R1可以帮助工程师从实验数据中快速发现系统控制规律，协助材料科学家推导新材料的特性关系，甚至可能用于生物学研究中发现新的生物学定律，大大加速科学发现的过程。