Warum Wissenschaftler in die virtuelle Welt eintauchen

Rachael Pells ist eine Wissenschafts- und Technologiejournalistin in London.

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Im virtuellen Labor von Stephen Hilton werden Studierende, die die virtuelle Realität nutzen, als Roboter-Avatare dargestellt; Hier arbeiten drei Benutzer zusammen, um den Umgang mit einem 3D-Drucker zu erlernen.Quelle: Stephen Hilton

Der Besuch des Labors von Stephen Hilton ist ein praktisches Erlebnis. Hier sind keine Personalausweise, Qualifikationen oder Laborkittel erforderlich; Gäste sind herzlich eingeladen, herumzulaufen und an der Ausrüstung herumzustupsen und bei Bedarf sogar Chemikalien auf den Boden zu verschütten, ohne dass dies Konsequenzen hat. Tatsächlich fördert er es. „Wissenschaft sollte interaktiv sein. Es geht darum, Unordnung zu machen und Fehler zu machen“, sagt Hilton und reicht ihm eine 3D-Form, die er gerade in die Luft gekritzelt hat.

Das Labor von Hilton ist digital und wird über Virtual-Reality-Headsets (VR) erlebt, sodass das entstehende Chaos harmlos ist. Aber die Umgebung spiegelt den Raum und das Design des realen Nasslabors wider, das er an der School of Pharmacy am University College London betreibt – wo seine Gruppe synthetische Chemie, einschließlich der Entdeckung von Arzneimitteln, erforscht – allerdings mit leuchtenderen Farben und einigen übernatürlichen Ergänzungen.

Wie virtuelle Realität dazu beiträgt, das wissenschaftliche Engagement im ländlichen Afrika zu stärken

Das VR-Konzept gibt es bereits seit den 1960er-Jahren, doch die anhaltende Vorstellung, die Technologie sei eine Modeerscheinung – ein Spielzeug mit klobigen Grafiken –, ist längst überholt1. In den letzten Jahren haben, beschleunigt durch die COVID-19-Pandemie und teilweise dank der sinkenden Kosten für Headsets, immer mehr Forscher die potenziellen Einsatzmöglichkeiten und Vorteile der Integration von Extended Reality (XR) in ihre Arbeit untersucht – einschließlich VR, Augmented Reality Reality (AR) und Mixed-Reality-Technologien.

Marken wie Oculus Rift und Microsofts HoloLens machten VR durch Gaming populär; Jetzt nutzen Hilton und andere Forscher dieselben Tools, um Experimente zu überwachen, mit internationalen Forschungspartnern zusammenzuarbeiten und umfassende Schulungsprogramme für Studenten und Kollegen durchzuführen.

Hilton verwendet das Oculus Quest 2-Headset (jetzt als Meta Quest 2 verkauft), weil es relativ günstig ist (ca. 300 £ oder 380 US-Dollar) und es ihm ermöglicht, mehrere Headsets gleichzeitig unterwegs zu haben. Die Software läuft auch auf einem PC und ermöglicht so die PC-Headset-Interaktion sowie PC-PC- oder Headset-Headset-Kombinationen. Sein virtuelles Labor wurde mit der 3D-Designsoftware Unreal Engine des US-Entwicklers Epic Games erstellt und läuft auf einem lokalen Server für Einzelbenutzer, während es für Multiplayer- und Sprachverbindungsprogramme auf einen cloudbasierten Server umsteigt.

Während der Pandemie hatten die Labormitarbeiter von Hilton Schwierigkeiten, produktive Treffen mit Forschungspartnern in Deutschland und den Vereinigten Staaten allein per Videoanruf durchzuführen. „Damals waren bestehende kommerzielle Programme teuer – zwischen 20.000 und 70.000 £ – und nicht flexibel auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten, sodass wir bei Null anfangen mussten“, erklärt Hilton. Jetzt verfügt sein virtuelles Labor über einen Sitzungssaal mit 20 Sitzplätzen; Im echten Labor dient derselbe Raum als bescheidener Lagerschrank.

Drei KI-Assistenten stehen zur Verfügung, um Forscher durch das virtuelle Labor des Chemikers Stephen Hilton zu führen, das dem Layout seines realen Labors entspricht. Bildnachweis: Stephen Hilton

Heutzutage nutzt er die VR-Umgebung hauptsächlich zur Schulung von Studenten, die die Durchführung von Experimenten üben oder Aufgaben erledigen können, die entweder über einen Laptop oder über VR-Headsets zu Hause und auf dem Campus zugänglich sind. Drei KI-Assistenten – lebensgroße, menschenähnliche Cartoon-Figuren, die reagieren, wenn Benutzer mit ihnen sprechen – stehen zur Verfügung, um Unterstützung zu bieten. Jeder Assistent hat eine eigene Rolle und Hintergrundgeschichte und greift auf eine programmierte Wissensbasis sowie auf das große Sprachmodell ChatGPT mit künstlicher Intelligenz zurück, um Benutzer durch den virtuellen Raum zu führen und Fragen zu Sicherheit, Inventar und Lagerbeständen zu beantworten. Privatkunden, zu denen Unternehmen und Forschungsinstitute zählen, müssen eine Gebühr zahlen und damit Geld für künftige Laborprojekte einbringen. Aber das Team von Hilton nutzt die VR-Umgebung auch für die Bildungsarbeit und empfängt Besuche von weiterführenden Schulgruppen und Mitarbeitern aus vielen Ländern des globalen Südens.

Dies trägt dazu bei, die Wissenschaft zugänglicher zu machen: Während Hilton und sein Team früher nur eine Handvoll Chemiestudenten und Labormitarbeiter gleichzeitig betreuen konnten, können jetzt unbegrenzt viele Lernende zu Hause oder zu Hause Experimente, Sicherheitsbewertungen oder andere Szenen üben über Partnerinstitutionen anderswo, sagt er. Es bedeutet auch, dass Hilton weniger Zeit damit verbringt, Anweisungen zu wiederholen oder den Schülern zu sagen, wo sie Ausrüstung finden, sodass er sich auf andere Projekte konzentrieren kann, einschließlich einer Erweiterung des VR-Forschungsprogramms.

„Erst kürzlich haben wir ein Tool entwickelt, mit dem die virtuellen Assistenten zehn Fremdsprachen sprechen können“, sagt er. „Die Wissensdatenbank wird in Echtzeit übersetzt, was bedeutet, dass ich direkt auf Englisch sprechen kann, um die Frage eines Schülers zu beantworten, und er die Antwort in seiner Landessprache hört. Wir sehen hierfür in vielen Ländern des globalen Südens eine große Chance.“

Eine der einfachsten Möglichkeiten, virtuelle Schulungen zugänglicher zu machen, könnte darin bestehen, auf gesprochene Sprachen gänzlich zu verzichten. „XR eröffnet die Möglichkeit, Gesten und Körpersprache zu nutzen – zu zeigen statt zu erzählen –, ohne die Sprache sehr gut beherrschen zu müssen“, sagt Koos De Beer, Berater und Forscher für XR-Lösungen an der University of Pretoria in Südafrika.

Virtual-Reality-Anwendungen verleihen der Wissenschaft eine neue Dimension

De Beer begann 2010 mit der Abteilung für Bergbauingenieurwesen der Universität an XR-basierten Schulungstools für Studenten zu arbeiten, die es ihnen ermöglichen, Minen, Tunnel und andere potenziell gefährliche Orte aus der Ferne über ein virtuelles Klassenzimmer zu „besichtigen“. In den letzten Jahren hat sich seine Arbeit ausgeweitet, um VR-Programme im Ingenieurwesen und im Gesundheitswesen breiter anzubieten, insbesondere in armen Gegenden im ländlichen Südafrika.

Die Avatare, die VR-Benutzer darstellen, „müssen nicht auf eine bestimmte Weise aussehen oder sprechen“, sagt De Beer. Sie können beispielsweise einfach als Roboter dargestellt werden, ohne dass Rasse oder Geschlecht angegeben werden müssen – obwohl menschliche Vorurteile bei der Gestaltung der Figuren eine Herausforderung darstellen. (Im Moment, sagt Hilton, verwendet sein Programm beispielsweise Roboter-Avatare mit maskulinen, muskulösen Oberkörpern.)

VR hilft Medizinstudenten auch dabei, früher in ihrer Ausbildung Zugang zu Lernmöglichkeiten zu erhalten. Simran Sharma, Ärztin für Geburtshilfe und Gynäkologie an der Universität Cardiff und am University Hospital of Wales in Cardiff, Großbritannien, war beunruhigt darüber, dass sie in ihrer frühen medizinischen Laufbahn keinen Kontakt zur Praxis hatte. „Das erste Mal, dass ich einem Sepsispatienten begegnet bin, war als qualifizierter Arzt – und das ist ein häufiges Szenario für so viele schwere und seltene Erkrankungen“, sagt sie.

Die Verwendung medizinischer Dummies, um Schülern die Diagnose und Behandlung von Sepsis beizubringen, gelte als Goldstandard für die Ausbildung, erklärt sie, aber die Pandemie habe die Präsenzschulung erschwert. „Außerdem ist es sehr teuer und ressourcenintensiv, wenn man die Kosten für die Dummies (ca. 40.000 £), die Zeit des Trainers und die Tatsache berücksichtigt, dass es auf spezialisierte Zentren beschränkt ist. Und wenn man wegen Krankheit einen Trainingstag verpasst, ist das Pech“, fügt sie hinzu.

Medizinstudenten der Universität Cardiff, Großbritannien, erkunden mithilfe von VR-Headsets virtuelle Sepsis-Szenarien.Quelle: Rescape Innovation

Sharma wurde 2019 dazu inspiriert, dies zu ändern, nachdem sie miterlebt hatte, wie schwangere Frauen während der Wehen gefährlich an einer Sepsis erkrankten. Als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Cardiff half sie im Rahmen des Projekts Sepsis, einer britischen Forschungskooperation zwischen Medizin und Wissenschaft, bei der Entwicklung eines VR-Bildungstools zur Sepsis-Erkennung. Das VR-Projekt zeigt den Schülern eine Reihe von Simulationen, die die Unterschiede zwischen Sepsis-Symptomen und ähnlichen Erkrankungen verdeutlichen. Im Gegensatz zum mit Avataren gefüllten virtuellen Labor von Hilton entschied sich Sharma dafür, Schauspieler zu filmen, die realistische medizinische Szenen spielen, die Schüler mithilfe von VR-Headsets und -Handys ansehen und mit ihnen interagieren können. Die während der Erfahrung erworbenen Kenntnisse werden dann durch Multiple-Choice-Tests am Bildschirm überprüft.

„Virtuelle Realität bietet eine wiederholbare, standardisierte klinische Trainingsmethode, die nicht von der Qualität des Trainers abhängig ist. Es ist evidenzbasiert und hat sich als wirksames Instrument im Gesundheitswesen erwiesen, und sein Einsatz nimmt weltweit zu“, sagt Sharma. (Siehe zum Beispiel Ref. 2.)

Neben dem Potenzial von VR für die Ausbildung und Ausbildung hoffen viele Wissenschaftler, die die Technologie nutzen, dass sie ihre praktische Arbeit eines Tages effizienter machen wird.

Working Scientist-Podcast: Über eine technologische Revolution im Labor sprechen

Im Jahr 2020 entwickelten der Chemiker Lee Cronin und seine Kollegen an der Universität Glasgow, Großbritannien, ein VR-Programm, das es ihm ermöglicht, die Roboter in seinem Labor fernzusteuern. Cronin und seine Forschungsgruppe verwenden einen sogenannten „Chemputer“ – eine Reihe von Robotern, die so programmiert werden können, dass sie automatisch organische Moleküle synthetisieren – als Teil ihrer Suche nach neuen Molekülen und der Erzeugung künstlicher Lebensformen. Diese Automatisierung macht die chemischen Experimente sicherer, da der menschliche Umgang mit Chemikalien minimiert wird, und viel schneller, da die Roboter rund um die Uhr arbeiten.

Die Hinzufügung der VR-Technologie ermöglicht es Cronin, Komponenten zu bewegen und den Robotern Anweisungen zu geben, wo immer er sich befindet. „Es ermöglicht uns auch, Abkürzungen zu erstellen“, erklärt er. „Ich kann das Mobilteil halten und in einer Hand einen virtuellen Erlenmeyerkolben haben. Wenn ich eine Gießbewegung ausführe, kann der Roboter dies als Flüssigkeitsbewegung von Hand a zu Hand b interpretieren und kann so eine Pumpe und ein Ventil einschalten. Es ist noch nicht vollständig implementiert, aber das Betriebssystem ist vorhanden“, fügt er hinzu. „Es ist der Funktionsweise eines Flugsimulators sehr ähnlich.“

Der „Chemputer“ des Chemikers Lee Cronin. Die VR-Umgebung steuert eine Reihe realer Roboter, die so programmiert werden können, dass sie automatisch organische Moleküle synthetisieren.Quelle: CroninLab, University of Glasgow

Er glaubt, dass VR, das auf diese Weise eingesetzt wird, in vielen anderen potenziell gefährlichen wissenschaftlichen Szenarien eine wichtige Rolle spielen könnte, einschließlich der Forschung zur Stilllegung von Kernkraftwerken und zur Bombenentschärfung. Und es gibt auch Produktivitätsvorteile: „Wir müssen mehr Moleküle erfinden, wenn wir große gesellschaftliche Probleme lösen wollen, etwa neue Medikamente gegen Krankheiten zu finden.“ Aber der chemische Raum ist wirklich schwer zu erforschen“, erklärt er. „In der Klinik sind nur etwa 2.800 kleine Moleküle [für Medikamente] zugelassen – um dorthin zu gelangen, müssen wir bereits mehrere Milliarden Moleküle ausprobiert haben. Es gibt zwar Heilmittel gegen Krebs, aber wir sind körperlich nicht in der Lage, jede chemische Reaktion einzeln durchzugehen.“

Laut Cronin hat sein in Glasgow ansässiges Spin-out-Unternehmen Chemify mehr als 33 Millionen Pfund von internationalen Investoren eingesammelt, die seinen Plan unterstützt haben, das Design neuer Moleküle zu automatisieren, um die Arzneimittelentwicklung zu beschleunigen.

Die Fähigkeit, sich selbst in einer alternativen Realität zu visualisieren, inspiriert zu neuen Forschungswegen. Der Neurowissenschaftler Olaf Blanke leitet das Labor für kognitive Neurowissenschaften an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL). Nach jahrelanger Forschung zu Prothesen und kognitiven Therapien für Menschen mit Amputationen ist er davon überzeugt, dass VR-Technologien das wissenschaftliche Verständnis des menschlichen Gehirns und der Wahrnehmung des eigenen Körpers revolutionieren.

„VR ist im Grunde ein sehr intelligenter Spiegel“, sagt er. „Als Erwachsene fällt es uns sehr leicht, beim Zähneputzen zu entscheiden, dass wir nicht das Bild sind, das wir im Spiegel sehen – es ist ein Spiegelbild.“ Aber sobald Sie einen Avatar haben, können Sie mit vielen verschiedenen Perspektiven herumspielen. Es ermöglicht uns, neue Fragen zum visuellen Selbst und zum Selbstbewusstsein zu stellen.“

Die Hindernisse für Erfindungen überwinden

Es sei möglich, dass VR-Technologie eines Tages herkömmliche Methoden zur Untersuchung von Erinnerungen und Traumata ersetzen oder zumindest verbessern könnte, sagt er. „Früher wurde so etwas wie das episodische Gedächtnis im Labor getestet, indem die Teilnehmer gebeten wurden, sich eine Wortliste zu merken, was offensichtliche Einschränkungen aufwies. Durch VR können wir malerische 3D-Umgebungen nachbilden und dann das Gedächtnis zusammen mit zusätzlichen Daten testen – wie zum Beispiel der Verfolgung von Augenbewegungen, Herzfrequenz und anderen Vitalfunktionen.

Er hat auch mit VR experimentiert, um außerkörperliche Erfahrungen zu untersuchen – ein Phänomen, das schätzungsweise 10 % der Weltbevölkerung erlebt, dessen Gründe noch nicht vollständig geklärt sind3.

Blanke hofft, dass das weitere Verständnis auf diesem Gebiet zu neuen und besseren Behandlungsformen für Menschen mit neurologischen Störungen führen wird. Aber es gibt immer noch technologische Einschränkungen. VR-Headsets können mit der Zeit schwer werden und bei Benutzern Übelkeit verursachen. Und es sei immer eine Herausforderung, genügend Programmierer zu rekrutieren, sagt er. „Es wäre großartig, mehr Software zu haben, die auch für Nicht-Programmierer leicht anpassbar wäre. Aber Wissenschaftler machen nur einen sehr kleinen Teil des Marktes aus und daher glaube ich nicht, dass sich das in absehbarer Zeit ändern wird.“

Die Entwicklung von VR-Programmen ist keine leichte Aufgabe. Als Hilton sein eigenes virtuelles Labor plante – ein Projekt, das im Jahr 2000 begann, aber durch die Pandemie im Jahr 2020 vorangetrieben wurde –, sagt er, sei er „ein bisschen überdreht vor Hybris“. Er fügt hinzu: „Nachdem wir unsere eigene 3D-Drucksoftware und PC-Software für den digitalen Fluss entwickelt hatten, dachten wir, dass wir auch problemlos unsere eigene VR-Software erstellen könnten.“ Es erwies sich jedoch als schwieriger, als wir uns zunächst vorgestellt hatten.“ Es hat viele Jahre gedauert, die Software von Hilton auf eine Qualität zu bringen, auf die er stolz ist, und zwar mit der großen Hilfe seiner Postdoktoranden und deren Fähigkeiten im 3D-Computer-Aided-Design (CAD).

„Wir haben etwa zehn Leute im Labor mit unterschiedlichem Hintergrund – Abschlüsse in Biomedizin, Pharmazie und Chemie, aber keine Informatik – und wir schulen jeden von Grund auf. Zuerst im CAD-Design realer Geräte, dann in der KI-Programmierung und dann von CAD zu VR. Alle [Labormitglieder] führen die Sitzungen mit Benutzern durch, damit sie sich dann an das VR-Training anderer gewöhnen“, sagt Hilton. Aber nicht jedes Labor verfügt über solche Zeit und Ressourcen.

Größtenteils scheint es so, als ob VR in Wissenschaft und Forschung am weitesten in der Praxis als Hilfsmittel für die Ausbildung zum Einsatz kommen wird. Es gibt klare Möglichkeiten für die Bildungsarbeit, die Ausweitung der Kurse und die Verbesserung der Zugänglichkeit. Aber es ist kein Allheilmittel: Trotz der relativ niedrigen Kosten für Headsets bestehen weiterhin Zugangsbarrieren.

Solche Programme sind auf eine schnelle Internetverbindung angewiesen, die in vielen Regionen fehlt. Nach Angaben der Vereinten Nationen gab es im Jahr 2021 noch 2,9 Milliarden Menschen ohne Internet. In Südafrika beispielsweise haben selbst große Städte aufgrund von Stromausfällen Probleme mit der Konnektivität, und in ländlichen Gebieten ist der Internetzugang nie selbstverständlich. Für De Beers bedeutet das, sicherzustellen, dass alle Programme, an deren Entwicklung er beteiligt ist, für die Verwendung von Mobilfunkdaten ausgelegt sind und nicht auf Breitband-Internet angewiesen sind. Aber auch das könne problematisch sein, sagt er. „Wir müssen oft im Voraus planen, um unsere eigenen Konnektivitätsquellen zu nutzen“, sagt er, zum Beispiel durch die Nutzung von Satelliten – obwohl der Zugang zum Satelliteninternet mit geringer Latenz des Luft- und Raumfahrtunternehmens Space X namens Starlink dies einfacher gemacht hat.

Auch mangelndes Verständnis für VR-Technologien bleibt ein grundlegendes Hindernis für eine breitere Einführung. Sharma erklärt: „Viele der akademischen Professoren, denen wir unser Produkt vorführten, empfanden VR als völlig seltsam und unnatürlich. Aber für etwa 20 Medizinstudenten, mit denen wir zusammenarbeiten, ist das eigentlich keine große Sache.“

Damit sich der kulturelle Wandel beschleunigt, können Universitäten und andere Bildungszentren eine proaktive Rolle übernehmen. „Bei einem großen Teil unserer Arbeit geht es auch darum, Menschen mit der Technologie vertraut zu machen – sie daran zu gewöhnen, denn es steht außer Frage, dass sie irgendwann in ihrer Karriere damit arbeiten müssen“, erklärt De Beers. Zu diesem Zweck hat sein Team an der Universität Pretoria „die XR-Spielzeugkiste“ eingerichtet: einen einzigartigen Raum, in dem Studenten und Mitarbeiter vorbeischauen und mit Technologie spielen können. Es ist ein Belichtungstool“, erklärt er.

Ist VR ein Vorwand für Wissenschaftler, im Labor mit Spielzeug zu spielen? „Natürlich“, gibt Cronin zu. „Aber es ist noch viel mehr. Menschen haben schon immer Werkzeuge verwendet, um neue Entdeckungen zu machen, und dies ist nur das nächste Werkzeug in der Kiste. Ich glaube nicht, dass es das menschliche Wissen beeinträchtigt. Aber es wird sicherlich die Art der Arbeit verändern und hoffentlich zu einer besseren Arbeitsweise führen.“

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02688-1

Dieser Artikel ist Teil von Nature Spotlight: Virtual Reality, einer redaktionell unabhängigen Beilage. Werbetreibende haben keinen Einfluss auf den Inhalt.

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