AI博士智能體自主科研，o1-preview封神成本暴降84%！AMD霍普金斯新作爆火
AI離自主科研，真的越來越近了！
最近，Hyperbolic聯創Jasper Zhang在采訪中稱，AI智能體已經可以自主租用GPU，利用PyTorch進行開發了。
其實，在科研方面，AI智能體也是一把能手。
只要腦海里有科研的奇思妙想，一份高質量的研究報告甚至連代碼，都能很快呈現在你眼前。
這不，AMD聯手霍普金斯打造出的一款「智能體實驗室」，瞬間在全網爆火。
這個超牛的AI系統，代號叫做Agent Laboratory，全程靠LLM驅動！
從文獻綜述開始，到開展實驗，再到最后生成報告，就像一位不知疲倦的科研小能手，一站式搞定整個科研流程。
Agent Laboratory由LLM驅動的多個專業智能體組成，自動處理編碼、文檔編寫等重復耗時的任務。
在研究的每個階段，用戶都可以提供反饋與指導。Agent Laboratory旨在助力研究人員實現研究創意，加速科學發現，提高研究效率。
論文地址：https://arxiv.org/abs/2501.04227
研究發現：
- 由o1-preview驅動的Agent Laboratory產出的研究成果最佳；
- 與現有方法相比，Agent Laboratory生成的代碼達到先進水平；
- 人類在各階段提供的反饋，顯著提升了研究的整體質量；
- Agent Laboratory大幅降低研究費用，與傳統研究方法相比，費用減少了84%。
Agent Laboratory有三個關鍵階段：文獻綜述、實驗設計和報告撰寫。
由LLM驅動的專業智能體（如博士、博士后等）協同工作，承擔文獻綜述、實驗規劃、數據準備和結果解釋等工作。這些智能體還會集成arXiv、Hugging Face、Python和LaTeX等外部工具，來優化結果。
文獻綜述
文獻綜述階段，旨在收集、整理與給定研究主題相關的論文，為后續研究提供參考。
在這個過程中，博士智能體借助arXiv API檢索相關論文，并執行三個主要操作：摘要、全文和添加論文。
- 摘要：從與初始查詢相關的前20篇論文中提取摘要
- 全文：提取特定論文的完整內容
- 添加論文：將選定的摘要或全文納入到文獻綜述
該過程并非一次性完成，而是迭代進行。智能體多次執行查詢，依據論文內容評估其相關性，篩選出合適的論文，構建全面的文獻綜述。
當通過「添加論文」命令達到指定數量（N=max）的相關文獻后，文獻綜述才會完成。
實驗環節
實驗環節包括制定計劃、數據準備、運行實驗和結果解釋。
制定計劃
在這個階段，依據文獻綜述和研究目標，智能體需要制定一份詳盡且可行的研究計劃。
博士和博士后智能體通過對話協作，明確研究方法，比如要采用哪些機器學習模型、使用什么數據集，以及實驗的主要步驟。
達成一致后，博士后智能體通過「計劃」命令提交該計劃，作為后續子任務的行動指南。
數據準備
在此階段，ML工程師智能體負責執行Python命令來運行代碼，為實驗籌備可靠的數據。該智能體有權限訪問 HuggingFace數據集。
代碼完成后，ML工程師智能體通過「提交代碼」命令提交。在正式提交前，代碼會先經過Python編譯器檢查，確保不存在編譯問題。若代碼有錯誤，這個過程將反復進行，直至代碼無誤。
運行實驗
在運行實驗階段，ML工程師智能體借助mle-solver模塊來執行之前制定的實驗計劃。
mle-solver是一個專門的模塊，主要功能是自主生成、測試以及優化機器學習代碼，其工作流程如下：
A. 命令執行
在命令執行階段，初始程序是從預先維護的高性能程序中選取的。
mle-solver通過「REPLACE」和「EDIT」這兩個操作，對這個程序進行迭代優化。
「EDIT」操作會選定一系列行，用新生成的代碼替換指定的內容。「REPLACE」操作會直接生成一個全新的Python文件。
B. 代碼執行
執行代碼命令后，編譯器會檢查新程序在運行時是否存在錯誤。
若程序成功編譯，系統會給出一個得分。若該得分高于現有程序，頂級程序列表就會更新。
要是程序編譯失敗，智能體就會嘗試修復代碼，最多嘗試3次。如果修復失敗，就會返回錯誤提示，重新選擇或生成代碼。
C. 程序評分
通過基于LLM獎勵模型對編譯成功的代碼打分，評估mle-solver生成的機器學習代碼的有效性。
該獎勵模型會依據研究計劃、生成的代碼以及觀察到的輸出，對程序進行評分，評分范圍是0到1。得分越高，表明程序能夠更有效地實現研究目標。
D. 自我反思
無論代碼運行成功與否，mle-solver都會依據實驗結果或者錯誤信號進行反思。智能體會思考每個步驟，力求優化最終結果。
如果程序編譯失敗，求解器就會琢磨下一次迭代時該怎么解決這個問題。要是代碼成功編譯且有了得分，求解器則會思考怎樣提高這個分數。這些反思旨在幫助系統從錯誤中學習，并在后續迭代中提高代碼質量和穩定性。
E. 性能穩定化
為避免性能出現波動，采用了兩種機制：頂級程序采樣和批量并行化。這兩種策略在探索新解決方案和優化現有方案之間找到平衡，讓代碼修改過程更加穩定 。
- 頂級程序采樣：指維護一組評分最高的程序。在執行命令前，會從這組程序中隨機挑選一個，既能保證程序的多樣性，又能確保質量。
- 批量并行化：求解器每進行一步操作，都會同時對程序做出N次修改，然后從這些修改中挑選出評分最高的，去替換頂級集合里評分最低的程序。
研究者在MLE-bench的10個ML挑戰中單獨評估了mle-solver。mle-solver始終優于其他求解器，獲得了更多獎牌，并在10個基準中的6個中達到了高于中位數的人類表現。
解釋結果
在此階段，博士和博士后智能體一同探討對mle-solver得出的實驗結果的理解，旨在從實驗結果中提煉出有價值的見解。
當他們就某個有意義的解釋達成共識，且認為該解釋能為學術論文增添價值時，博士后智能體便會通過「解釋」命令提交該解釋，為后續的報告撰寫提供支撐。
撰寫研究報告
報告寫作階段，博士和教授智能體負責把研究成果整理成一份完整的學術報告。這一過程借助名為paper-solver的模塊，來迭代生成并完善報告。
paper-solver并非要完全取代學術論文的寫作過程，而是以人類易于理解的格式，對已完成的研究成果進行總結。
該模塊生成的報告遵循學術論文的標準結構。paper-solver模塊的工作流程如下：
A. 初始報告框架
paper-solver的首要任務是生成研究論文的初始框架。該框架框架遵循學術規范，采用了LaTeX編譯所需的格式，生成的論文能直接進入審閱和修改環節。
B. ArXiv研究
paper-solver可按文獻綜述接口訪問arXiv，探索與當前撰寫主題相關的文獻，還可以查找可引用的論文。
C. 報告編輯
使用「EDIT」命令，對LaTeX代碼進行迭代和修改，確保論文與研究計劃相符、論點清晰且滿足格式要求。
D. 論文審閱
這個系統借助基于LLM的代理，模擬科學論文的審閱過程，遵循NeurIPS會議的審稿指南對論文進行評估。
E. 論文完善
在論文修改階段，根據三個評審代理給出的反饋意見，博士智能體負責決定論文是需要修訂。這一過程能夠持續優化研究報告，直至達到較高標準。
輔助駕駛模式
Agent Laboratory有兩種運行模式：自主模式和輔助駕駛模式。
自主模式下，用戶僅需提供初始研究思路，此后整個過程完全無需人工干預。每完成一個子任務，系統便會自動按順序推進至下一個子任務。
輔助駕駛模式下，同樣是先提供研究思路。不同的是，每個子任務結束時設有檢查點。在這些檢查點，人工審閱者會對代理在該階段的工作成果（如文獻綜述總結、生成的報告等）進行審閱。
人工審閱者有兩個選擇：一是讓系統繼續推進到下一個子任務；二是要求代理重復當前子任務，并給出改進建議，助力代理在后續嘗試中表現更佳。
o1-preview總分最高
通過比較15篇由10位博士審閱的論文，研究者分析了3個LLM（gpt-4o、o1-mini、o1-preview）在實驗質量、報告質量和實用性方面的表現。人類評審者使用NeurIPS風格的標準來評估論文。
o1-preview的總分最高（4.0/10），其次是o1-mini（3.8）和gpt-4o（3.5）。o1-preview在實用性和報告質量方面表現出色，o1-mini在質量上領先。
而在重要性和貢獻這兩項上，所有模型的表現都較為普通，這反映出模型在原創性和影響力方面存在局限。
所有模型的得分均低于NeurIPS的平均分，表明生成的論文在技術性和方法論的嚴謹性上顯著不足。凸顯了進一步優化Agent Laboratory的必要性，讓其生成的內容符合高質量出版物的標準。
在輔助駕駛模式下，研究人員對論文的實用性（3.5/5）、延續性（3.75/5）、滿意度（3.63/5）和可用性（4.0/5）進行了評分。輔助駕駛模式下的論文質量從3.8/10提高到4.38/10。
運行時間和成本分析顯示，gpt-4o的計算效率和成本效益最佳，完成時間為1165.4秒，成本為2.33美元，優于o1-mini（3616.8秒，7.51美元）和o1-preview（6201.3秒，13.10美元）。
報告撰寫是成本最高的階段，尤其是o1-preview（9.58美元）。
Agent Laboratory的出現，無疑是科研領域的一次重大革新，展現了AI在助力科研上的巨大潛力。
盡管它還存在一些需要完善的地方，如生成論文在某些方面與高質量出版物標準尚有差距，但它所帶來的高效、便捷以及新思路，已經讓我們看到了未來科研發展的新方向。
