化学领域利用VR技术,呈现微观世界

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分子可视化的未来是利用下一代虚拟现实技术,呈现浸没式的微观世界。

■今日视点

科幻电影为人们展示的未来场景大多是背包飞行器、飞行汽车、隐身衣、心灵遥感等,这些离现实还有点远,而虚拟现实(VR)技术正在向商品化迈进,围绕VR眼镜、增强现实(AR)设备的商业潜能,各种奇思妙想潮水般涌来。专家认为,VR技术很快能让化学家们进入微观世界,浸没在分子世界里。如此一来,从中学教学到药物设计各方面都会受到影响。

VR眼镜时代

化学家不用再在电脑上对着二维屏幕设想三维结构。虚拟现实设备,如Oculus Rift和HTC Vive的眼镜,能通过立体显示和头部跟踪技术,带来直观的全景画面:由计算机生成的虚拟分子随着人们头部转动,自然地进入视野。在增强现实中能生成半浸没式环境,将计算机图像重叠显示在用户未被挡住的视域。

据技术咨询公司CCS Insight预测,虚拟现实眼镜只是刚开始销售,预计到2016年底达到近10亿美元。这是第一代眼镜,售价并不便宜:Oculus Rift是599美元,HTC Vive要799美元。按预测的势头,到2020年VR眼镜和AR设备的出货量将达到9600万套。研究人员认为,这是轮到VR眼镜出场的时代。

美国伊利诺伊大学理论与计算生物物理学集团高级研究程序员约翰·E.斯通的团队正在开发分子可视化程序,他预测这波即将来到消费市场的VR眼镜浪潮是个转折点,就像第一批大量生产的汽车。

化学家们在某个报告会上戴着VR眼镜查看分子结构,这一场景不难想象。斯通说:“将要发生的是,我们从最初只用它来看东西,发展到用它来完成特定任务。”

尚需克服困难

VR眼镜早期曾有些挫折,如刷新太慢、反应延迟、会导致运动病等,目前它已从航空光学、移动技术中借鉴了很多研究成果。斯通说:“我们从30年前的研究成果中借鉴了很多东西,现在把这些都凑在一起。”

但目前这一代VR眼镜还不能说已经准备好了。斯通说,虽然它的缺点已大幅度改善,但仍需要做更多研究,开发用户在浸没环境中和物体互动的能力。

VR眼镜附件让用户能用自己的手拖动、选择或旋转——人们可能会想看分子内部结构,这些是基本操作。但虚拟体验只是个人的,至少在研发者想出办法把多个眼镜连在一起之前,还无法提供人际间的体验共享。

在克服了目前的技术障碍后,专家们可以预见这样的未来:对任何化学家来说,分子可视化真实地进入了生活,在教学时能浸没在分子世界里。

未来的应用

上世纪70年代末时,化学家所想的未来只是在计算机上绘制分子图,以取代塑料分子模型。经过几十年发展,人类与计算机的互动有了本质提升,现在有望通过分子模型软件收集、处理复杂的结构数据,转变成分布在空间的分子,让人们浸没在分子世界,并能和它们互动。

随着今年第一批VR眼镜的普及,化学家可以重新考虑未来会有什么。斯通说:“化学和计算生物学可能会用VR眼镜观察分子,进行高级制图,这是个极具挑战性的难题。长期以来,这一领域已被推到了极限。”

美国马里兰大学先进计算机研究所所长阿米塔布·瓦什尼团队正在做这样的事,他们把先进的可视化技术和大数据结合,为VR和AR开发各种工具和应用软件。对化学家来说,VR改变了游戏规则,因为它把两种互补的能力——空间感和数据分析能力结合在了一起。瓦什尼说:“人类擅长空间推理和模式识别,计算机擅长数字处理,VR能让我们把计算和形成思维图像无缝对接。以前,你可以计算并将数据可视化,但只是个置身其外的观察者。”

瓦什尼团队已经开发出了能观察大肠杆菌膜离子通道的AR支持软件,看它如何打开和关闭。目前他们还在为药物设计开发分子可视化工具,用VR来探索蛋白质配合基如何对接。按照人们的理解,大分子如何运行受4到5个因素控制,空间关系和接近程度能帮我们理解原子层面发生了什么。

根据瓦什尼描述,观察分子内部复杂的原子排列和分子键——这虽是幻想,但现在已触手可及了。2014年,Oculus联合创始人布兰丹·艾瑞伯向马里兰大学提供了3100万美元,资助一栋新的计算机科学大楼并用于计算机科学的奖学金,以支持VR和AR研究。

在VR的早期发展阶段,研究人员就预测它能为分子可视化带来全新视角,让人们能深入直观分子内部结构和链接。瓦什尼说:“当你转头,刚才被挡住的其他分子部分就进入视野,这种印象冲击比用手移动鼠标更加根本,更加有力。”

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