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把微觀世界呈現(xiàn)在你眼前 ——化學(xué)領(lǐng)域即將用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡研究分子結(jié)構(gòu) 本報(bào)記者 常麗君 分子可視化的未來是利用下一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，呈現(xiàn)浸沒式的微觀世界。 ■今日視點(diǎn) 科幻電影為人們展示的未來場景大多是背包飛行器、飛行汽車、隱身衣、心靈遙感等，這些離現(xiàn)實(shí)還有點(diǎn)遠(yuǎn)，而虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)正在向商品化邁進(jìn)，圍繞VR眼鏡、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備的商業(yè)潛能，各種奇思妙想潮水般涌來。專家認(rèn)為，VR技術(shù)很快能讓化學(xué)家們進(jìn)入微觀世界，浸沒在分子世界里。如此一來，從中學(xué)教學(xué)到藥物設(shè)計(jì)各方面都會(huì)受到影響。 VR眼鏡時(shí)代 化學(xué)家不用再在電腦上對著二維屏幕設(shè)想三維結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如Oculus Rift和HTC Vive的眼鏡，能通過立體顯示和頭部跟蹤技術(shù)，帶來直觀的全景畫面：由計(jì)算機(jī)生成的虛擬分子隨著人們頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，自然地進(jìn)入視野。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中能生成半浸沒式環(huán)境，將計(jì)算機(jī)圖像重疊顯示在用戶未被擋住的視域。 據(jù)技術(shù)咨詢公司CCS Insight預(yù)測，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡只是剛開始銷售，預(yù)計(jì)到2016年底達(dá)到近10億美元。這是第一代眼鏡，售價(jià)并不便宜：Oculus Rift是599美元，HTC Vive要799美元。按預(yù)測的勢頭，到2020年VR眼鏡和AR設(shè)備的出貨量將達(dá)到9600萬套。研究人員認(rèn)為，這是輪到VR眼鏡出場的時(shí)代。 美國伊利諾伊大學(xué)理論與計(jì)算生物物理學(xué)集團(tuán)高級研究程序員約翰·E.斯通的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)分子可視化程序，他預(yù)測這波即將來到消費(fèi)市場的VR眼鏡浪潮是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，就像第一批大量生產(chǎn)的汽車。 化學(xué)家們在某個(gè)報(bào)告會(huì)上戴著VR眼鏡查看分子結(jié)構(gòu)，這一場景不難想象。斯通說：“將要發(fā)生的是，我們從最初只用它來看東西，發(fā)展到用它來完成特定任務(wù)。” 尚需克服困難 VR眼鏡早期曾有些挫折，如刷新太慢、反應(yīng)延遲、會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)病等，目前它已從航空光學(xué)、移動(dòng)技術(shù)中借鑒了很多研究成果。斯通說：“我們從30年前的研究成果中借鑒了很多東西，現(xiàn)在把這些都湊在一起。” 但目前這一代VR眼鏡還不能說已經(jīng)準(zhǔn)備好了。斯通說，雖然它的缺點(diǎn)已大幅度改善，但仍需要做更多研究，開發(fā)用戶在浸沒環(huán)境中和物體互動(dòng)的能力。 VR眼鏡附件讓用戶能用自己的手拖動(dòng)、選擇或旋轉(zhuǎn)——人們可能會(huì)想看分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些是基本操作。但虛擬體驗(yàn)只是個(gè)人的，至少在研發(fā)者想出辦法把多個(gè)眼鏡連在一起之前，還無法提供人際間的體驗(yàn)共享。 在克服了目前的技術(shù)障礙后，專家們可以預(yù)見這樣的未來：對任何化學(xué)家來說，分子可視化真實(shí)地進(jìn)入了生活，在教學(xué)時(shí)能浸沒在分子世界里。 未來的應(yīng)用 上世紀(jì)70年代末時(shí)，化學(xué)家所想的未來只是在計(jì)算機(jī)上繪制分子圖，以取代塑料分子模型。經(jīng)過幾十年發(fā)展，人類與計(jì)算機(jī)的互動(dòng)有了本質(zhì)提升，現(xiàn)在有望通過分子模型軟件收集、處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成分布在空間的分子，讓人們浸沒在分子世界，并能和它們互動(dòng)。 隨著今年第一批VR眼鏡的普及，化學(xué)家可以重新考慮未來會(huì)有什么。斯通說：“化學(xué)和計(jì)算生物學(xué)可能會(huì)用VR眼鏡觀察分子，進(jìn)行高級制圖，這是個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。長期以來，這一領(lǐng)域已被推到了極限。” 美國馬里蘭大學(xué)先進(jìn)計(jì)算機(jī)研究所所長阿米塔布·瓦什尼團(tuán)隊(duì)正在做這樣的事，他們把先進(jìn)的可視化技術(shù)和大數(shù)據(jù)結(jié)合，為VR和AR開發(fā)各種工具和應(yīng)用軟件。對化學(xué)家來說，VR改變了游戲規(guī)則，因?yàn)樗褍煞N互補(bǔ)的能力——空間感和數(shù)據(jù)分析能力結(jié)合在了一起。瓦什尼說:“人類擅長空間推理和模式識別，計(jì)算機(jī)擅長數(shù)字處理，VR能讓我們把計(jì)算和形成思維圖像無縫對接。以前，你可以計(jì)算并將數(shù)據(jù)可視化，但只是個(gè)置身其外的觀察者。” 瓦什尼團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了能觀察大腸桿菌膜離子通道的AR支持軟件，看它如何打開和關(guān)閉。目前他們還在為藥物設(shè)計(jì)開發(fā)分子可視化工具，用VR來探索蛋白質(zhì)配合基如何對接。按照人們的理解，大分子如何運(yùn)行受4到5個(gè)因素控制，空間關(guān)系和接近程度能幫我們理解原子層面發(fā)生了什么。 根據(jù)瓦什尼描述，觀察分子內(nèi)部復(fù)雜的原子排列和分子鍵——這雖是幻想，但現(xiàn)在已觸手可及了。2014年，Oculus聯(lián)合創(chuàng)始人布蘭丹·艾瑞伯向馬里蘭大學(xué)提供了3100萬美元，資助一棟新的計(jì)算機(jī)科學(xué)大樓并用于計(jì)算機(jī)科學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金，以支持VR和AR研究。 在VR的早期發(fā)展階段，研究人員就預(yù)測它能為分子可視化帶來全新視角，讓人們能深入直觀分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和鏈接。瓦什尼說：“當(dāng)你轉(zhuǎn)頭，剛才被擋住的其他分子部分就進(jìn)入視野，這種印象沖擊比用手移動(dòng)鼠標(biāo)更加根本，更加有力。” |
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