STELLA是一个专为生物医学研究设计的自我进化AI智能体系统，通过四大智能体协同工作，实现动态扩展工具库和可进化推理模板库。在多个生物医学基准测试中表现优异，准确率随使用经验提升近一倍。该系统能加速科学发现，降低技术门槛，促进跨学科研究，为生物医学领域提供了一种全新的科研范式。

Self-Evolving LLM Agent for Biomedical Research

摘要

本文介绍STELLA，一个突破性的自我进化AI智能体系统，专为生物医学研究设计。通过动态扩展的工具库和可进化的推理模板库，STELLA能够自主学习并持续提升能力，在多个生物医学基准测试中达到业界领先水平，准确率随使用经验提升近一倍。

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一、研究背景：生物医学研究面临的挑战

现代生物医学研究正处于前所未有的机遇与复杂性并存的时代。作为科学研究的基石，生物医学领域每天产生海量的实验数据，但这一进步却受到研究环境严重碎片化的制约。

当前生物医学研究面临的核心问题包括：

知识和工具的分散性：研究人员需要的专业知识、软件工具和数据库数量庞大、不断演进且高度分散。这迫使科研人员花费大量时间和精力在发现、学习和整合这些分散资源的人工劳动上。

现有AI智能体的局限：虽然AI智能体的出现为自动化这些复杂工作带来了希望，但当前系统存在关键缺陷——它们通常依赖人工策划的静态工具集。这种方法效率低下、无法扩展，也无法跟上生物医学科学的快速发展，使智能体永远落后于前沿研究。

这引出了一个关键问题：我们能否设计一个自我进化的智能体，通过自动发现和集成新工具、持续更新知识库、并通过直接经验迭代升级自身能力，从而超越这些限制？

二、STELLA系统架构：四大智能体协同工作

STELLA（Self-Evolving LLM Agent）是一个围绕自我进化核心原则设计的通用生物医学AI智能体。STELLA从解决的每个问题中学习和改进，持续增强自身的推理策略和技术能力。

2.1 四大核心智能体

STELLA的架构利用四个关键智能体协同工作，系统性地解决复杂的生物医学研究问题：

1. 管理智能体（Manager Agent）

管理智能体负责接收高层次的研究目标，并基于推理经验建立"推理路径"——一个将问题分解为逻辑步骤的战略计划。例如，当面对"揭示肿瘤获得性化疗耐药机制并提出重新敏化策略"这样的研究目标时，管理智能体会将其分解为"差异表达分析"和"识别关键基因"等具体步骤。

2. 开发智能体（Dev Agent）

开发智能体作为计算工作的执行者，创建独立的conda环境并执行实际分析脚本。例如，运行diff_analysis.py来比较治疗前和复发后肿瘤样本的转录组。

3. 评判智能体（Critic Agent）

评判智能体对初步分析结果进行严格评估，识别缺陷并提供可操作的反馈来优化方法，创建了一个稳健的迭代问题解决循环。在化疗耐药案例中，评判智能体提供了关键反馈：“这个假设是正确的但不可操作…它描述了变化但没有解释潜在的调控逻辑。我们需要找到’关键’基因。”

4. 工具创建智能体（Tool Creation Agent）

当评判智能体识别出能力缺口时，管理智能体会指派工具创建智能体来填补这一缺口。该智能体搜索现有资源并利用名为"工具海洋"的强大预定义模型和工具集合，构建、测试和验证新的更强大工具。

2.2 实际案例：化疗耐药机制研究

通过一个具体案例来说明STELLA的工作流程：

研究目标：揭示患者肿瘤获得性化疗耐药机制并提出靶向重新敏化策略。

工作流程：

1. 管理智能体制定推理路径，包括：数据集预处理、细胞状态注释、差异分析、结果汇总等步骤。
2. 开发智能体创建conda环境，安装必要工具（如gseapy、scanpy、scGPT），并执行数据预处理、细胞类型注释和差异分析。
3. 评判智能体审查结果后指出：“当前分析不足。我们需要找到维持耐药网络的’关键’基因。建议创建一个工具，使用单细胞扰动预测模型进行虚拟筛选，预测哪种扰动最能使耐药细胞恢复药物敏感性。”
4. 工具创建智能体开发基于虚拟细胞基础模型的虚拟扰动筛选工具，最终识别出转录因子MTF1作为耐药网络的关键调控因子。

三、双重自我进化机制：STELLA的核心创新

STELLA的决定性特征是其双重自我进化能力，使其能够从经验中学习并持续扩展自身能力。

3.1 模板库（Template Library）的进化

第一个机制是推理模板库的进化。用于识别MTF1的成功多步骤工作流程——从初始描述性分析到转向预测性虚拟筛选——不会被丢弃，而是被提炼成新的高质量推理模板并保存在库中。这个过程完善了STELLA的战略知识，使其能够在未来更高效地解决类似的"耐药机制"问题。

模板库包含多种预定义模板，如：

• 通路分析模板
• 药物重定位模板
• 耐药性分析模板
• 文献综述模板
• 分治策略模板

这些模板会随着成功案例的积累而不断丰富和优化。

3.2 工具海洋（Tool Ocean）的扩展

第二个更深层次的进化是工具海洋的扩展，这是STELLA可执行能力的动态增长集合。工具海洋包含多样化的计算工具，可broadly分为三大类：

（1）数据库查询功能

提供对关键数据源的直接访问，包括：

• PubMed：生物医学文献数据库
• ClinVar：临床变异数据库
• PDB：蛋白质结构数据库

（2）大规模基础模型接口

使STELLA能够利用最先进的AI能力，包括：

• AlphaFold 3：蛋白质结构预测
• scGPT：单细胞数据解读
• ESM3：蛋白质语言建模

（3）定制化分析工具

专门构建的脚本，用于网络分析、数据整合等任务。

工具海洋从简单的预定义工具开始，在智能体推理过程中不断扩展。工具创建智能体通过GitHub搜索、PubMed搜索等方式发现和集成新的生物信息学工具，自动扩充工具库。

模板库和工具海洋的协同进化赋予STELLA以日益增长的自主性和科学复杂度来应对越来越复杂的生物医学挑战。

四、基准测试表现：业界领先的准确率

为评估STELLA的有效性，研究团队在三个具有挑战性的生物医学问答任务上对其进行了基准测试，并与最先进的大型语言模型和专业智能体进行了比较。

4.1 三大基准测试的卓越表现

测试结果表明，STELLA在所有基准测试中始终取得优异表现：

1. Humanity’s Last Exam（Biomedicine）

• STELLA准确率：约26%
• 超越所有其他测试模型

2. LAB-Bench: DBQA（数据库问答）

• STELLA准确率：约54%
• 领先次优模型达6-8个百分点

3. LAB-Bench: LitQA（文献问答）

• STELLA准确率：约63%
• 继续保持领先优势

这些结果充分证明了STELLA在复杂生物医学推理任务上的卓越能力，其性能显著超越了包括Claude、GPT-4等在内的主流大语言模型。

4.2 自我进化能力的实证验证

更为关键的是，研究团队提供了STELLA核心自我进化能力的直接证据。测试结果显示，随着计算经验的增加，STELLA的性能系统性提升：

测试时自我进化效果：

• 在HLE: Biomedicine基准上，STELLA的准确率从14%提升到26%，几乎翻倍
• 这一提升随着试验次数（计算预算）的增加而实现
• 报告结果代表三次独立评估运行的平均准确率

这一发现具有重大意义：它验证了STELLA不仅在更高水平上表现优异，而且随着经验的积累变得更有能力，有效地学会了如何成为更好的科学家。

五、技术创新与科学意义

5.1 突破传统AI智能体的瓶颈

STELLA代表了生物医学AI智能体的重大进步，主要体现在以下几个方面：

超越静态工具集的限制：传统AI智能体依赖人工策划的静态工具集，既低效又无法扩展。STELLA通过工具创建智能体实现了工具的自动发现和集成，使系统能够与生物医学科学的快速发展保持同步。

多智能体协同架构：通过管理、开发、评判和工具创建四大智能体的协同工作，STELLA建立了一个稳健的迭代问题解决循环，模拟了科研团队的协作模式。

经验积累与知识传承：通过模板库保存成功的推理策略，STELLA能够将解决问题的经验转化为可复用的知识，避免重复探索，提高研究效率。

5.2 对生物医学研究的深远影响

STELLA的出现对生物医学研究具有多重意义：

加速科学发现：通过自动化复杂的数据分析和工具集成过程，STELLA能够显著加快从数据到发现的转化速度，使研究人员能够专注于更高层次的科学思考。

降低技术门槛：研究人员无需精通所有生物信息学工具和编程技能，即可完成复杂的数据分析任务，这将使更多领域专家能够充分利用现代生物医学数据。

促进跨学科研究：STELLA能够整合来自不同领域的工具和知识，促进生物学、医学、计算科学等学科的交叉融合。

持续学习与改进：与传统软件不同，STELLA能够从每次使用中学习，其能力会随着时间推移而增长，类似于人类科学家的成长过程。

5.3 未来发展方向

虽然STELLA已经展现出令人瞩目的能力，但仍有进一步提升的空间：

人机协同：原文提到了"人类专家/湿实验在循环中"的概念，表明STELLA可以与人类研究人员和实验结果形成反馈循环，这种人机协作模式值得深入探索。

工具验证机制：随着工具海洋的扩展，建立严格的工具验证和质量控制机制变得越来越重要，以确保新集成工具的可靠性和准确性。

伦理与可解释性：在生物医学这样的关键领域，AI系统的决策过程需要具有良好的可解释性，以便研究人员理解和验证结果。

六、总结与展望

STELLA代表了向能够学习和成长的AI智能体系统迈出的重要一步，这类系统能够动态扩展其专业知识，以加速生物医学发现的步伐。

其核心贡献包括：

1. 创新的自我进化机制：通过模板库和工具海洋的双重进化，实现了真正意义上的系统自我提升。
2. 卓越的实际表现：在多个权威基准测试中达到业界领先水平，并展示了随经验增长而提升的能力。
3. 可扩展的架构设计：多智能体协同工作模式为处理日益复杂的生物医学问题提供了可持续的解决方案。
4. 推动范式转变：从依赖人工策划的静态工具集转向自主发现和集成新工具的动态系统，为生物医学AI的未来发展指明了方向。

随着生物医学数据的持续增长和研究问题的日益复杂，像STELLA这样能够自我学习、不断进化的AI智能体系统将在未来科学研究中发挥越来越重要的作用。它不仅是一个工具，更代表了一种新的科研范式——人类智慧与人工智能深度融合，共同推动生物医学领域的突破性进展。

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