原创 Peter Schiffer等 集智俱乐部
导语
近日发表于 Nature Human Behaviour 的评论文章展望了元宇宙将为科学带来的机会和挑战。文章认为，元宇宙会让科学实验室和学术会议更可及，帮助提高研究的可复现性，并为实验设计提供新机遇。不过研究人员和研究机构必须提前筹划，做好准备，以减小潜在危害。
关键词：元宇宙，科学研究
Diego Gómez-Zará, Peter Schiffer&Dashun Wang | 作者
汪显意 | 译者
梁金 | 审校
文章题目：
The promise and pitfalls of the metaverse for science
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41562-023-01599-5
一些科技公司和媒体将元宇宙神化为互联网的未来。随着虚拟现实设备和高速通信技术的进步，加上新冠疫情提高了大众对远程办公的接受度，人们对元宇宙已经不仅仅是好奇或娱乐，而是产生了巨大关注。尽管元宇宙已经吸引了大量投资和乐观的雄心勃勃的声明，但它的未来仍然充满未知：它的定义和边界模糊不清，在乌托邦愿景、科技混合物（如Web3和区块链），以及娱乐空间之间摇摆不定。
随着元宇宙的不断发展，它的实现日益明确，科学家们已经开始将他们的实验室带入3D虚拟空间，使用虚拟现实做实验，用沉浸式方法学习知识。我们在考虑科学家应如何灵活可靠地利用元宇宙，为它不确定的未来做好准备，并避免一些陷阱。
1. 定义元宇宙
我们将元宇宙定义为一个沉浸式虚拟现实的持久3D环境，在其中，人们可以与其他人、虚拟主体和物品，以及真实物理世界物品的表征进行实时互动。这个定义包含三个组成部分。其一，元宇宙允许人们在一个持续时间的沉浸式虚拟环境中，不仅和数字环境交互，也和置于不同位置的实物对象交互。其二，元宇宙使人们可以和处在遥远地方的其他人互动。其三，通过整合物联网、数字孪生等概念，元宇宙使得在虚拟现实中的操作可以对真实物理世界产生影响，也相应地使遥远的物理世界现象直接影响虚拟现实体验。
2. 科学的机遇
出于对科学潜在机遇的期待，这里我们基于元宇宙已有的早期应用，评估它可能如何帮助解决当前研究机构所关心的问题。
可及性（Accessibility）。科研设备和学术会议在地理上分散在全球各个角落，这给不在同一地点或无法自由移动的研究人员设置了可及性障碍。并且，繁忙的日程，高昂的差旅费，出行限制，儿童缺乏照顾，温室气体排放增加，这些都限制了许多科研人员的流动。尽管视频会议和线上交流平台起了很大帮助，但还是缺少很多线下见面的优点。屏幕使人们的注意力和关注的焦点变得狭窄，过滤掉了对于产生新想法至关重要的其他刺激。视频会议减少了人们在走廊上偶然讨论的机会，减弱了社会联系和社会存在感。元宇宙中的3D角色可以部分地解决这些问题，促进交流与合作。进一步，在元宇宙中记录的3D会议能够重现空间、与会者，以及他们的实时反应，从而扩大全球范围内的可及性。
元宇宙还可以实现个性化的沉浸式3D环境，模拟和连接遥远的实验室。科学家们可以远程访问这些实验室，和其他研究组共享它们，或者在做出实际改变之前先虚拟地优化自己的操作。这样，相隔千里的科学家们也可以使用相同的仪器和设备，沉浸式地合作和工作。例如，伦敦大学学院（UCL）药学院的科学家们已经开发了实验室的数字副本，可以通过虚拟现实进行访问。
在会议和实验室环境中，AI 模型可以作为元宇宙中的虚拟主体或者成为元宇宙环境的一部分——都能促进科研合作成果以及人类-AI合作。例如，大语言模型可以被本地执行来作为虚拟助手，用以获取信息，给出建议或翻译对话来克服语言障碍。
可复现性（Reproducibility）。实验结果的可复现性是科学可信度的关键问题，通常依赖于精确的结果保存。随着元宇宙的问世，手写记录和实验室电子笔记本或将被取代，科学家们可以结合相机和传感器来记录，然后在沉浸式3D模拟中复现实验室条件和操作步骤。研究者可以使用头戴式设备记录他们做了什么，生成3D的第一视角观察。以这种方式产生的记录——包括研究者、设备、房间、材料和实验过程如何进行，都可以上传到元宇宙。与视频记录不同，元宇宙可以整合研究者所操作的材料、物品和设备的状态，自动涵盖实验室设备产生的数据流。
这样的沉浸式记录使所有人都可以身临其境地回顾研究者做的事情。当有质疑的声音时，同行或评论者可以同步或非同步地，和最初的研究者一起置身在元宇宙的实验中。更进一步，为这些记录实施区块链技术能让它们不可变和可信——这些性质对于昂贵的实验和有价值的设备及样品来说尤其重要。出于成本和安排协调方面的考量，这种解决方案难以广泛推行，但是对于那些由于某些原因难以复现、并且影响很大的研究来说，这种解决方案是很有意义的。
培训和学习（Training and learning）。维持一个研究项目最重要的挑战之一就是对新成员进行恰当的培训。科研过程的细节在不同组之间可能千差万别，并且长期以来的一对一互动训练方式需要花费大量时间，依赖于具体地点，容易因人员变动而打乱，还会限制组与组之间的技术共享。
元宇宙有可能促进这种知识转移过程。研究团队可以用虚拟现实技术设计实验，并大规模分享。访问和体验以前的研究人员所做的事情，并完全沉浸在元宇宙中——也许在远程培训师在场的情况下——自然会帮助学员复现和学习实验室流程。元宇宙中进行的这种培训课程还可以通过允许世界各地研究所的访问来减小研究不平等性。
我们可以参考的一个例子是由美国疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention）创建的虚拟实验室培训。学习者使用头戴式显示器沉浸在虚拟实验室中，他们需要识别实验室的主要部分，演示如何让仪器持续工作，运用安全实践操作，并进行突发事件应对演练。还有一项额外优势，与传统培训不同，虚拟模拟允许学习者犯严重的错误，而不造成现实世界的损失。
新的实验环境（New experimental environments）。不同领域研究人员面临的一个共同挑战是如何将数据和实验条件可视化，这对于做研究和交流成果而言至关重要。尽管3D物体可以在2D屏幕上实现可视化，但是它们受到屏幕维数的限制，不能完全展现出3D物体的材料特性、深度或尺度。相反，虚拟现实技术已经（比如说）允许网络科学家设计 VRNetzer 平台来探索三维大尺度网络。类似地，建模人员已经使用 Microsoft HoloLenses 与分子结构交互；也有医疗团队将人类大脑可视化为全息图。这种技术的一个互联元宇宙实现能够使来自不同地方的科学家们合作分析数据，改变这些数据的参数，进行模拟，并在多个维度上进行复杂的数据切割。
元宇宙中的可视化可以超越数据分析，进而创立从前难以实现的研究项目。元宇宙可以不受实验室和观察室中实验条件的限制，让行为研究科学家设计虚拟的沉浸式环境以避免实体实验室中所需的极高昂费用，打破物理学定律，或者发现新的复杂性维度。
例如，一个研究团队开发了 FreemoVR [3]，一个执行动物实验的虚拟现实平台。使用这个平台时，动物们在实验室中自由移动，墙壁和地板显示随动物行为而变化的计算结果。这使得科学家可以研究动物的大脑活动和反应。用于人类的类似装置能够给行为研究人员提供大量的互动实验选择。
此外，元宇宙还可以帮助科学家们将自己沉浸在遥远、危险、或者已经灭绝的环境中，例如火星。“好奇号”火星探测器获取的图像已经能够让科学家们在火星地面漫步，协助规划火星车驱动器，探索这个星球，并和宇航员一起运行模拟。使用元宇宙可以进一步允许世界各地的研究人员同时登上并探索虚拟的火星地貌。这种技术可以扩展到许多无法进入的环境——包括1966年经典科幻电影“神奇旅程”（The Fantastic Voyage）中所描绘的微观世界。
3. 元宇宙带给科学的挑战
在科学的潜在机遇中，元宇宙也带来了新的危险和伦理困境。这些挑战包括对研究参与者身心健康的潜在危害；大公司、元宇宙开发者和研究人员三方之间的利益冲突；信誉和达标；高成本和负担能力；隐私；骚扰和偏见。我们在Box 1 中更详细地描述了这些挑战。如果说科技的历史可以作为向导，那么未来将来会出现更多问题，并且无法彻底解决。如果得不到妥善处理，这些挑战将会压倒前面提到的潜在好处。
Box1 将元宇宙引入科学的关键挑战
健康问题
在科学中使用元宇宙可能引发身体健康问题，如恶心、疲劳和物理伤害；还可能引起心理健康风险，如成瘾和孤独。科学家们还需要对元宇宙应用程序进行广泛测试，然后才能将其投入日常使用，无论是用于培训和协作，还是用于实验。科学家们还必须为那些不想或无法使用这些技术的人考虑替代方案，例如使用2D投影或洞穴状自动虚拟系统（cave automatic virtual environments, CAVEs）。
公司制约
构建元宇宙的专业知识和资源都集中在大公司，但他们的商业目标可能与科学的利益不一致。如果这些公司排他地发展元宇宙技术和平台，科学家们想利用元宇宙可能只能依赖于公司日程和经济利益，科研工作也可能要依赖于与公司合作。科研界需要建立资助机制来支持独立的元宇宙，或建立保护措施来确保研究企业的需求得到满足。
代码保真度
由于元宇宙中的实验将由硬件和软件介导，科学家们需要对元宇宙中进行的研究的真实性和准确性建立共识。科学家们需要建立、维护、验证、发布元宇宙中任何实验都应当遵守的编码规则。研究人员必须建立信任机制，以接受和采用在元宇宙中产生的新知识，以及相关元数据的协议。这种标准环境将是确保研究在元宇宙中的可复现性和可复制性的关键。
资源差距
使用元宇宙要求在硬件和软件上进行前期投资和广泛培训。这将有利于资金充足的科学机构，但其他地方的科学家可能很难获得利用元宇宙进行工作的资源。为了公平地发挥元宇宙的潜力，政府和资助者应当支持资源短缺的研究小组使用元宇宙（例如，通过直接资助计划或投资开放的基础设施）。
隐私和监管
元宇宙中的活动和交互将产生大量数据，引发隐私问题，人们需要仔细制定治理决策、隐私政策和新的社区规范。特别地，科学家需要调整适应合规审查委员会的工作方式，例如美国的机构审查委员会和机构动物护理和使用委员会，以考虑到对人类和动物主体的潜在危害的新途径，由于元宇宙虚拟、持久和高度网络化的本质，这种危害会更加广泛。
偏见和歧视
沉浸式在线环境将遭受其他环境中类似的偏见、骚扰和歧视。此外，在元宇宙中，虚拟形象和其他描述可能成为种族主义的目标，或者更容易遭遇性骚扰。简单地改变研究人员的身份可能会过度简化种族和性别在他们工作中的作用——例如，导致科学家身份更多转变为“白人”或男性——并引发攻击和反社会行为。明确的安全规范和行为准则已被公认为对世界各地的安全研究环境至关重要，需要对其进行调整并扩展到所有元宇宙活动。
4. 科学元宇宙的未来
就像过去许多技术进步一样，元宇宙还在不断发展中，未来尚不明确。对于科学家、政策制定者和研究机构来说，现在正是时机，开始思考如何采取行动，发掘元宇宙的潜力，避开它的陷阱。应该考虑以竞争性拨款、内部机构努力和基础设施建设的形式进行积极投资，支持创新和适应未来，到那时元宇宙在社会中将更加普遍。
政府机构和其他研究资助者在其他方面也可以发挥重要作用，包括资助并提高不同元宇宙技术和环境之间的互用性和协议共用。这些方面将有助于科研组织保障元宇宙的广泛采用和可复现性。例如，政府研究机构可以创建一个具有开源代码和标准协议的开放且可公开访问的元宇宙平台，并根据需要转换到商业平台。
在美国，美国国家标准与技术研究所（NIST）之类的政府机构可以设定适用于研究企业的协议标准，或者，一个国际公约可以指定全球标准。类似地，美国国家卫生研究院（NIH）之类的政府机构可以利用它的大量行为研究资料，建立并维护一个针对人类主题研究的元宇宙。
在这样的生态系统中，研究人员可以在有适当保护、有标准化与可复现条件，以及安全数据管理的环境中，制定并执行自己的研究协议。一个政府资助的、聚焦研究的，并且能够和商业平台兼容的元宇宙，将有可能为科学创造和获取巨大的价值，从提高科学生产力到保护研究可信度。
这类行动有重要的先例，在美国，政府和大学为天文学和晶体学等领域的数据建立了开放存储库，美国国家科学基金会（NSF）和美国能源部都建立并维护了高性能计算环境，可供更广泛的研究社区使用。这些努力可以被复制并应用于新兴的元宇宙技术，这将特别有利于资源不足的机构获得并利用共同资源。至关重要的是，在鼓励私营部门创新和发展公私联盟的同时，必须兼顾互操作性、开放性和更多的研究群体可访问性。
与此同时，需要进行更多研究来更好地为政策和实践提供信息。除了基础技术发展，元宇宙中隐含的一系列伦理、法律的和社会问题表明，社会学和行为学研究工作对于更好地理解虚拟社会环境中的人类行为至关重要。主动帮助研究团队做关于元宇宙的研究也将推进元宇宙的实践应用，为更好地理解元宇宙概念的核心前提，也为影响研究之外的元宇宙的其他方面提供巨大机会。
目前，研究界尚未合作开发开放、可访问和可互操作的科学元宇宙平台，一个重要机会尚待把握。描绘元宇宙带给科学的机遇和挑战将帮助我们更好地把握未来。
