導語

近日發(fā)表于 Nature Human Behaviour 的評論文章展望了元宇宙將為科學帶來的機會和挑戰(zhàn),。文章認為,，元宇宙會讓科學實驗室和學術會議更可及，幫助提高研究的可復現(xiàn)性,，并為實驗設計提供新機遇,。不過研究人員和研究機構必須提前籌劃,，做好準備，以減小潛在危害,。

關鍵詞：元宇宙,，科學研究

Diego Gómez-Zará, Peter Schiffer&Dashun Wang| 作者

汪顯意| 譯者

梁金| 審校

文章題目： The promise and pitfalls of the metaverse for science 文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41562-023-01599-5

一些科技公司和媒體將元宇宙神化為互聯(lián)網的未來。隨著虛擬現(xiàn)實設備和高速通信技術的進步,，加上新冠疫情提高了大眾對遠程辦公的接受度,，人們對元宇宙已經不僅僅是好奇或娛樂，而是產生了巨大關注,。盡管元宇宙已經吸引了大量投資和樂觀的雄心勃勃的聲明,，但它的未來仍然充滿未知：它的定義和邊界模糊不清，在烏托邦愿景,、科技混合物 （如Web3和區(qū)塊鏈） ，以及娛樂空間之間搖擺不定,。

隨著元宇宙的不斷發(fā)展，它的實現(xiàn)日益明確,，科學家們已經開始將他們的實驗室?guī)?D虛擬空間,，使用虛擬現(xiàn)實做實驗，用沉浸式方法學習知識,。我們在考慮科學家應如何靈活可靠地利用元宇宙,，為它不確定的未來做好準備，并避免一些陷阱 （圖1） ,。

圖1：元宇宙帶給科學的希望和陷阱,。為了理解元宇宙如何影響全球研究機構，我們基于元宇宙技術在科學中的已有應用，評估了元宇宙可能影響科學研究,、合作和學習的不同方式,。我們進一步討論了元宇宙可能帶給科學和科學家的種種陷阱，為研究人員和科研管理者提供有價值的參考,。

1. 定義元宇宙

我們將元宇宙定義為一個沉浸式虛擬現(xiàn)實的持久3D環(huán)境,，在其中，人們可以與其他人,、虛擬主體和物品,，以及真實物理世界物品的表征進行實時互動。這個定義包含三個組成部分,。其一,，元宇宙允許人們在一個持續(xù)時間的沉浸式虛擬環(huán)境中，不僅和數字環(huán)境交互,，也和置于不同位置的實物對象交互,。其二，元宇宙使人們可以和處在遙遠地方的其他人互動,。其三,，通過整合物聯(lián)網、數字孿生等概念,，元宇宙使得在虛擬現(xiàn)實中的操作可以對真實物理世界產生影響,，也相應地使遙遠的物理世界現(xiàn)象直接影響虛擬現(xiàn)實體驗。

2. 科學的機遇

出于對科學潛在機遇的期待,，這里我們基于元宇宙已有的早期應用,，評估它可能如何幫助解決當前研究機構所關心的問題。

可及性（Accessibility）,?？蒲性O備和學術會議在地理上分散在全球各個角落，這給不在同一地點或無法自由移動的研究人員設置了可及性障礙,。并且,，繁忙的日程，高昂的差旅費,，出行限制,，兒童缺乏照顧，溫室氣體排放增加,，這些都限制了許多科研人員的流動,。盡管視頻會議和線上交流平臺起了很大幫助，但還是缺少很多線下見面的優(yōu)點,。屏幕使人們的注意力和關注的焦點變得狹窄,，過濾掉了對于產生新想法至關重要的其他刺激。視頻會議減少了人們在走廊上偶然討論的機會,，減弱了社會聯(lián)系和社會存在感,。元宇宙中的3D角色可以部分地解決這些問題，促進交流與合作,。進一步,，在元宇宙中記錄的3D會議能夠重現(xiàn)空間、與會者,，以及他們的實時反應,，從而擴大全球范圍內的可及性。

元宇宙還可以實現(xiàn)個性化的沉浸式3D環(huán)境,，模擬和連接遙遠的實驗室?？茖W家們可以遠程訪問這些實驗室,，和其他研究組共享它們,，或者在做出實際改變之前先虛擬地優(yōu)化自己的操作。這樣,，相隔千里的科學家們也可以使用相同的儀器和設備,，沉浸式地合作和工作。例如,，倫敦大學學院 （UCL） 藥學院的科學家們已經開發(fā)了實驗室的數字副本,，可以通過虛擬現(xiàn)實進行訪問。

在會議和實驗室環(huán)境中,，AI 模型可以作為元宇宙中的虛擬主體或者成為元宇宙環(huán)境的一部分——都能促進科研合作成果以及人類-AI合作,。例如，大語言模型可以被本地執(zhí)行來作為虛擬助手,，用以獲取信息,，給出建議或翻譯對話來克服語言障礙。

可復現(xiàn)性（Reproducibility）,。實驗結果的可復現(xiàn)性是科學可信度的關鍵問題,，通常依賴于精確的結果保存。隨著元宇宙的問世,，手寫記錄和實驗室電子筆記本或將被取代,，科學家們可以結合相機和傳感器來記錄，然后在沉浸式3D模擬中復現(xiàn)實驗室條件和操作步驟,。研究者可以使用頭戴式設備記錄他們做了什么,，生成3D的第一視角觀察。以這種方式產生的記錄——包括研究者,、設備,、房間、材料和實驗過程如何進行,，都可以上傳到元宇宙,。與視頻記錄不同，元宇宙可以整合研究者所操作的材料,、物品和設備的狀態(tài),，自動涵蓋實驗室設備產生的數據流。

這樣的沉浸式記錄使所有人都可以身臨其境地回顧研究者做的事情,。當有質疑的聲音時,，同行或評論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實驗中,。更進一步,，為這些記錄實施區(qū)塊鏈技術能讓它們不可變和可信——這些性質對于昂貴的實驗和有價值的設備及樣品來說尤其重要。出于成本和安排協(xié)調方面的考量,，這種解決方案難以廣泛推行,，但是對于那些由于某些原因難以復現(xiàn),、并且影響很大的研究來說，這種解決方案是很有意義的,。

培訓和學習（Training and learning）,。維持一個研究項目最重要的挑戰(zhàn)之一就是對新成員進行恰當的培訓?？蒲羞^程的細節(jié)在不同組之間可能千差萬別,，并且長期以來的一對一互動訓練方式需要花費大量時間，依賴于具體地點,，容易因人員變動而打亂,，還會限制組與組之間的技術共享。

元宇宙有可能促進這種知識轉移過程,。研究團隊可以用虛擬現(xiàn)實技術設計實驗,，并大規(guī)模分享。訪問和體驗以前的研究人員所做的事情,，并完全沉浸在元宇宙中——也許在遠程培訓師在場的情況下——自然會幫助學員復現(xiàn)和學習實驗室流程,。元宇宙中進行的這種培訓課程還可以通過允許世界各地研究所的訪問來減小研究不平等性。

我們可以參考的一個例子是由美國疾病控制與預防中心 （Centers for Disease Control and Prevention） 創(chuàng)建的虛擬實驗室培訓,。學習者使用頭戴式顯示器沉浸在虛擬實驗室中,，他們需要識別實驗室的主要部分，演示如何讓儀器持續(xù)工作,，運用安全實踐操作,，并進行突發(fā)事件應對演練。還有一項額外優(yōu)勢,，與傳統(tǒng)培訓不同,，虛擬模擬允許學習者犯嚴重的錯誤，而不造成現(xiàn)實世界的損失,。

新的實驗環(huán)境（New experimental environments）,。不同領域研究人員面臨的一個共同挑戰(zhàn)是如何將數據和實驗條件可視化，這對于做研究和交流成果而言至關重要,。盡管3D物體可以在2D屏幕上實現(xiàn)可視化,，但是它們受到屏幕維數的限制，不能完全展現(xiàn)出3D物體的材料特性,、深度或尺度,。相反，虛擬現(xiàn)實技術已經 （比如說） 允許網絡科學家設計 VRNetzer 平臺來探索三維大尺度網絡,。類似地,，建模人員已經使用 Microsoft HoloLenses 與分子結構交互；也有醫(yī)療團隊將人類大腦可視化為全息圖。這種技術的一個互聯(lián)元宇宙實現(xiàn)能夠使來自不同地方的科學家們合作分析數據,，改變這些數據的參數,，進行模擬，并在多個維度上進行復雜的數據切割,。

元宇宙中的可視化可以超越數據分析，進而創(chuàng)立從前難以實現(xiàn)的研究項目,。元宇宙可以不受實驗室和觀察室中實驗條件的限制,，讓行為研究科學家設計虛擬的沉浸式環(huán)境以避免實體實驗室中所需的極高昂費用，打破物理學定律,，或者發(fā)現(xiàn)新的復雜性維度,。

例如，一個研究團隊開發(fā)了 FreemoVR [3],，一個執(zhí)行動物實驗的虛擬現(xiàn)實平臺,。使用這個平臺時，動物們在實驗室中自由移動,，墻壁和地板顯示隨動物行為而變化的計算結果,。這使得科學家可以研究動物的大腦活動和反應。用于人類的類似裝置能夠給行為研究人員提供大量的互動實驗選擇,。

此外,，元宇宙還可以幫助科學家們將自己沉浸在遙遠、危險,、或者已經滅絕的環(huán)境中,，例如火星?！昂闷嫣枴被鹦翘綔y器獲取的圖像已經能夠讓科學家們在火星地面漫步,，協(xié)助規(guī)劃火星車驅動器，探索這個星球,，并和宇航員一起運行模擬,。使用元宇宙可以進一步允許世界各地的研究人員同時登上并探索虛擬的火星地貌。這種技術可以擴展到許多無法進入的環(huán)境——包括1966年經典科幻電影“神奇旅程” （The Fantastic Voyage） 中所描繪的微觀世界,。

3. 元宇宙帶給科學的挑戰(zhàn)

在科學的潛在機遇中,，元宇宙也帶來了新的危險和倫理困境。這些挑戰(zhàn)包括對研究參與者身心健康的潛在危害,；大公司,、元宇宙開發(fā)者和研究人員三方之間的利益沖突；信譽和達標,；高成本和負擔能力,；隱私；騷擾和偏見,。我們在Box 1 中更詳細地描述了這些挑戰(zhàn),。如果說科技的歷史可以作為向導,，那么未來將來會出現(xiàn)更多問題，并且無法徹底解決,。如果得不到妥善處理,，這些挑戰(zhàn)將會壓倒前面提到的潛在好處。

Box1 將元宇宙引入科學的關鍵挑戰(zhàn)

健康問題

在科學中使用元宇宙可能引發(fā)身體健康問題,，如惡心,、疲勞和物理傷害；還可能引起心理健康風險,，如成癮和孤獨,。科學家們還需要對元宇宙應用程序進行廣泛測試,，然后才能將其投入日常使用,，無論是用于培訓和協(xié)作，還是用于實驗,?？茖W家們還必須為那些不想或無法使用這些技術的人考慮替代方案，例如使用2D投影或洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)（cave automatic virtual environments, CAVEs）,。

公司制約

構建元宇宙的專業(yè)知識和資源都集中在大公司,，但他們的商業(yè)目標可能與科學的利益不一致。如果這些公司排他地發(fā)展元宇宙技術和平臺,，科學家們想利用元宇宙可能只能依賴于公司日程和經濟利益,，科研工作也可能要依賴于與公司合作?？蒲薪缧枰①Y助機制來支持獨立的元宇宙,，或建立保護措施來確保研究企業(yè)的需求得到滿足。

代碼保真度

由于元宇宙中的實驗將由硬件和軟件介導,，科學家們需要對元宇宙中進行的研究的真實性和準確性建立共識,。科學家們需要建立,、維護,、驗證、發(fā)布元宇宙中任何實驗都應當遵守的編碼規(guī)則,。研究人員必須建立信任機制,，以接受和采用在元宇宙中產生的新知識，以及相關元數據的協(xié)議,。這種標準環(huán)境將是確保研究在元宇宙中的可復現(xiàn)性和可復制性的關鍵,。

資源差距

使用元宇宙要求在硬件和軟件上進行前期投資和廣泛培訓。這將有利于資金充足的科學機構，但其他地方的科學家可能很難獲得利用元宇宙進行工作的資源,。為了公平地發(fā)揮元宇宙的潛力,，政府和資助者應當支持資源短缺的研究小組使用元宇宙（例如,，通過直接資助計劃或投資開放的基礎設施）,。

隱私和監(jiān)管

元宇宙中的活動和交互將產生大量數據,，引發(fā)隱私問題,，人們需要仔細制定治理決策、隱私政策和新的社區(qū)規(guī)范,。特別地,，科學家需要調整適應合規(guī)審查委員會的工作方式,，例如美國的機構審查委員會和機構動物護理和使用委員會,，以考慮到對人類和動物主體的潛在危害的新途徑，由于元宇宙虛擬,、持久和高度網絡化的本質,，這種危害會更加廣泛。

偏見和歧視

沉浸式在線環(huán)境將遭受其他環(huán)境中類似的偏見,、騷擾和歧視,。此外，在元宇宙中,，虛擬形象和其他描述可能成為種族主義的目標,，或者更容易遭遇性騷擾。簡單地改變研究人員的身份可能會過度簡化種族和性別在他們工作中的作用——例如,，導致科學家身份更多轉變?yōu)椤鞍兹恕被蚰行浴⒁l(fā)攻擊和反社會行為,。明確的安全規(guī)范和行為準則已被公認為對世界各地的安全研究環(huán)境至關重要，需要對其進行調整并擴展到所有元宇宙活動,。

4. 科學元宇宙的未來

就像過去許多技術進步一樣,，元宇宙還在不斷發(fā)展中，未來尚不明確,。對于科學家,、政策制定者和研究機構來說，現(xiàn)在正是時機,，開始思考如何采取行動,，發(fā)掘元宇宙的潛力，避開它的陷阱,。應該考慮以競爭性撥款,、內部機構努力和基礎設施建設的形式進行積極投資，支持創(chuàng)新和適應未來,，到那時元宇宙在社會中將更加普遍,。

政府機構和其他研究資助者在其他方面也可以發(fā)揮重要作用，包括資助并提高不同元宇宙技術和環(huán)境之間的互用性和協(xié)議共用。這些方面將有助于科研組織保障元宇宙的廣泛采用和可復現(xiàn)性,。例如,，政府研究機構可以創(chuàng)建一個具有開源代碼和標準協(xié)議的開放且可公開訪問的元宇宙平臺，并根據需要轉換到商業(yè)平臺,。

在美國,，美國國家標準與技術研究所 （NIST） 之類的政府機構可以設定適用于研究企業(yè)的協(xié)議標準，或者,，一個國際公約可以指定全球標準,。類似地，美國國家衛(wèi)生研究院 （NIH） 之類的政府機構可以利用它的大量行為研究資料,，建立并維護一個針對人類主題研究的元宇宙,。

在這樣的生態(tài)系統(tǒng)中，研究人員可以在有適當保護,、有標準化與可復現(xiàn)條件,，以及安全數據管理的環(huán)境中，制定并執(zhí)行自己的研究協(xié)議,。一個政府資助的,、聚焦研究的，并且能夠和商業(yè)平臺兼容的元宇宙,，將有可能為科學創(chuàng)造和獲取巨大的價值,，從提高科學生產力到保護研究可信度。

這類行動有重要的先例,，在美國,，政府和大學為天文學和晶體學等領域的數據建立了開放存儲庫，美國國家科學基金會 （NSF） 和美國能源部都建立并維護了高性能計算環(huán)境,，可供更廣泛的研究社區(qū)使用,。這些努力可以被復制并應用于新興的元宇宙技術，這將特別有利于資源不足的機構獲得并利用共同資源,。至關重要的是,，在鼓勵私營部門創(chuàng)新和發(fā)展公私聯(lián)盟的同時，必須兼顧互操作性,、開放性和更多的研究群體可訪問性,。

與此同時，需要進行更多研究來更好地為政策和實踐提供信息,。除了基礎技術發(fā)展,，元宇宙中隱含的一系列倫理、法律的和社會問題表明,，社會學和行為學研究工作對于更好地理解虛擬社會環(huán)境中的人類行為至關重要,。主動幫助研究團隊做關于元宇宙的研究也將推進元宇宙的實踐應用,，為更好地理解元宇宙概念的核心前提，也為影響研究之外的元宇宙的其他方面提供巨大機會,。

目前,，研究界尚未合作開發(fā)開放、可訪問和可互操作的科學元宇宙平臺,，一個重要機會尚待把握,。描繪元宇宙帶給科學的機遇和挑戰(zhàn)將幫助我們更好地把握未來。

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計算社會科學讀書會第二季

計算社會科學作為一個新興交叉領域,，越來越多地在應對新冠疫情,、輿論傳播、社會治理,、城市發(fā)展,、組織管理等社會問題和社科議題中發(fā)揮作用，大大豐富了我們對社會經濟復雜系統(tǒng)的理解,。相比于傳統(tǒng)社會科學研究,，計算社會科學廣泛采用了計算范式和復雜系統(tǒng)視角，因而與計算機仿真,、大數據、人工智能、統(tǒng)計物理等領域的前沿方法密切結合,。為了進一步梳理計算社會科學中的各類模型方法,，推動研究創(chuàng)新，集智俱樂部發(fā)起了計算社會科學系列讀書會,。

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