勞倫斯柏克萊國家實驗室是美國能源部頂尖研究機構之一，以其在物理、化學和材料科學領域的諾貝爾獎級研究聞名，營運著全球最先進的科學設施。

其中，先進光源（ALS）是一個足球場大小的設施，能產生極其明亮的 X 光束，讓研究人員得以從原子、分子尺度到植物層級，研究各種材料。ALS 的儀器，稱為光束線，產生巨量數據；隨著近期設施升級大幅提升解析度和速度，數據量已暴增到科學家難以處理的程度。

這些數字令人震驚：美國能源部的光子與中子源設施每年產生數十 PB 的數據，相當於數百萬 GB，約等於串流播放 200 萬小時的高畫質影片。這種積壓並非一直存在。升級後的偵測器，從每六秒捕捉一張影像，提升到每秒 10 萬張影像，意味著這些設施現在產生的數據量比十年前高出數個數量級，傳統的人工分析根本無法跟上。

問題不僅僅是數據量龐大：領域專家稀缺且不堪重負，而現代的原位實驗，即科學家在化學反應或材料失效等動態過程發生時進行觀察，需要即時的解釋，這是任何人類團隊都無法手動完成的。

大部分分析挑戰都歸結為一項任務：影像分割，即在影像中識別並精確描繪出不同結構的邊界。在電腦視覺領域，影像分割讓許多應用成為可能，從區分腫瘤與健康組織的醫學掃描，到區分行人與路面的自動駕駛車輛。在科學研究中，影像分割將原始的 X 光影像從一堆灰階像素，轉化為有意義結構（如細胞壁、礦物顆粒、半導體層）的標註地圖，供研究人員在不同實驗中進行量化和比較。

2025 年底，白宮啟動了「Genesis 任務」，這是一項由美國能源部主導的全國性大規模倡議，旨在利用先進人工智慧加速科學發現和技術領先。SYNAPS-I（協同中子與光子科學智慧）是其旗艦專案之一：這項多實驗室合作計畫由柏克萊實驗室主導，並與阿貢、布魯克海文、橡樹嶺和 SLAC 國家實驗室合作，目標是將 X 光和中子科學的數據分析從長達數月的瓶頸，轉變為即時發現引擎，其中科學影像分析是主要目標。

這個瓶頸在影像分割領域尤為嚴重，從實驗數據中提取有意義的結構，每個數據集可能需要專家數週的努力。

SYNAPS-I 影像分割流程的核心，是 Meta 發布的兩個開源基礎模型：Segment Anything Model 3 (SAM 3) 和 DINOv3。

DINOv3 是一個自監督視覺模型，這表示它能從原始影像中學習視覺模式，而無需人類事先標註。它擅長理解影像中不同結構所代表的意義及其位置。SAM 則更進一步，能精確地描繪出影像中個別物體的邊界，就像科學家手工仔細勾勒結構一樣，但 SAM 只需數秒而非數小時。

這兩個模型共同形成一個互補的流程：SAM 提供精確到像素級別的邊界，而 DINO 則提供全域上下文，以識別每個結構及其在樣本中的位置。SYNAPS-I 團隊在美國能源部光束線收集的科學影像數據上微調了這兩個模型，然後將它們部署在 NERSC 等國家超級運算設施的 300 個 A100 GPU 上，這些是驅動當今最先進 AI 系統的高效能運算晶片。

結果是：一個完全重建、語義標註的 3D 體積，即時回傳給實際站在光束線儀器前的科學家，讓他們在實驗進行中就能進行解釋。總處理時間：約 15 分鐘。

SYNAPS-I 團隊在一個緊迫的農業挑戰上展示了這個流程，即了解葡萄藤在細胞層面對乾旱的反應。該流程利用先進光源收集的微型 CT 掃描數據，重建葡萄藤莖的 3D 體積，並自動識別木質部導管，這是植物內部負責水分運輸的微觀管道。透過追蹤這些導管在乾旱進程中的變化，研究人員獲得了寶貴見解，有助於開發抗旱作物，並為未來的農業韌性提供解決方案。

過去每個時間點需要一個月專家標註的工作，現在只需 15 分鐘，使科學家能夠以數據採集本身的速度研究動態生物過程。

國家實驗室將預發表的科研數據和 AI 模型保存在政府基礎設施上，而非外部雲端服務。這些工作在進行中必須在安全的平台上管理。Meta 的開源方法使這成為可能。SYNAPS-I 團隊可以在自己的安全運算環境中下載、微調和部署 SAM 和 DINO，將原本為自然影像訓練的模型，應用到它們從未設計過的科學領域。

SYNAPS-I 匯集了五個國家實驗室的 60 名研究人員，正致力於打造一個未來，讓使用者設施成為智慧發現平台，其中 AI 不僅能更快處理數據，還能幫助科學家提出假設、推薦下一個實驗，並在各設施之間傳輸知識，讓一個光束線的突破能造福所有研究人員。隨著 Genesis 從種子專案擴展到完整計畫，這個開源基礎有望加速在不斷擴大的國家優先領域中的發現。

在最近的兆級參數聯盟會議上，美國能源部副部長 Dario Gil 提到了這項工作的潛力。他表示：「透過無縫結合 AI、先進運算和實驗系統，SYNAPS-I 能在數據產生時進行分析，並即時引導實驗，以適應性、自動化的決策取代緩慢的人工步驟。這將發現時間從數天壓縮到數分鐘，並建立一個持續自我改進的科學模型，這對於實現 Genesis 任務的全部潛力至關重要。」