原標(biāo)題：把微觀世界呈現(xiàn)在你眼前 化學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂肰R眼鏡研究分子結(jié)構(gòu)
[導(dǎo)讀] 分子可視化的未來(lái)是利用下一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),呈現(xiàn)浸沒(méi)式的微觀世界。瓦什尼說(shuō):“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。
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(lái)是利用下一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，呈現(xiàn)浸沒(méi)式的微觀世界。
■今日視點(diǎn)
科幻電影為人們展示的未來(lái)場(chǎng)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(lái)。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(méi)在分子世界里。如此一來(lái)，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(duì)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(guò)立體顯示和頭部跟蹤技術(shù)，帶來(lái)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(méi)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(cè)，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡只是剛開(kāi)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(cè)的勢(shì)頭，到2020年VR眼鏡和AR設(shè)備的出貨量將達(dá)到9600萬(wàn)套。研究人員認(rèn)為，這是輪到VR眼鏡出場(chǎng)的時(shí)代。
美國(guó)伊利諾伊大學(xué)理論與計(jì)算生物物理學(xué)集團(tuán)高級(jí)研究程序員約翰·E.斯通的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)分子可視化程序，他預(yù)測(cè)這波即將來(lái)到消費(fèi)市場(chǎng)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?cè)谀硞�(gè)報(bào)告會(huì)上戴著VR眼鏡查看分子結(jié)構(gòu)，這一場(chǎng)景不難想象。斯通說(shuō)：“將要發(fā)生的是，我們從最初只用它來(lái)看東西，發(fā)展到用它來(lái)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(shuō)：“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(shuō)已經(jīng)準(zhǔn)備好了。斯通說(shuō)，雖然它的缺點(diǎn)已大幅度改善，但仍需要做更多研究，開(kāi)發(fā)用戶在浸沒(méi)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(wú)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(jiàn)這樣的未來(lái)：對(duì)任何化學(xué)家來(lái)說(shuō)，分子可視化真實(shí)地進(jìn)入了生活，在教學(xué)時(shí)能浸沒(méi)在分子世界里。
未來(lái)的應(yīng)用
上世紀(jì)70年代末時(shí)，化學(xué)家所想的未來(lái)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(guò)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(guò)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(méi)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(lái)會(huì)有什么。斯通說(shuō)：“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(jí)制圖，這是個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。長(zhǎng)期以來(lái)，這一領(lǐng)域已被推到了極限。”
美國(guó)馬里蘭大學(xué)先進(jìn)計(jì)算機(jī)研究所所長(zhǎng)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(kāi)發(fā)各種工具和應(yīng)用軟件。對(duì)化學(xué)家來(lái)說(shuō)，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(shuō):“人類擅長(zhǎng)空間推理和模式識(shí)別，計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)數(shù)字處理，VR能讓我們把計(jì)算和形成思維圖像無(wú)縫對(duì)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(kāi)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(kāi)和關(guān)閉。目前他們還在為藥物設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分子可視化工具，用VR來(lái)探索蛋白質(zhì)配合基如何對(duì)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(wàn)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(cè)它能為分子可視化帶來(lái)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(shuō)：“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。”