虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具允許研究人員以前所未有的方式瀏覽和分享數(shù)據(jù)。但截至目前為止，它們主要是作為早期采用者的工具集，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及。

在我戴上VR頭顯后，外面的世界便消失于無(wú)。一個(gè)細(xì)胞出現(xiàn)在我的視野之中，當(dāng)抬起脖子時(shí)，我可以從多個(gè)角度瀏覽它。我把頭伸進(jìn)去探索它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。借助運(yùn)動(dòng)控制器，我可以逐層分解細(xì)胞，用手腕輕輕挖掘，揭開埋在表面之下的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

Arivis是一家位于德國(guó)慕尼黑的生命科學(xué)軟件公司，他們開發(fā)了這種特殊的VR可視化工具，名為InViewR。

虛擬現(xiàn)實(shí)早已出現(xiàn)，但市場(chǎng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣要到2016年才開始迅速增長(zhǎng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是一種相關(guān)的技術(shù)，其能夠通過(guò)透視頭顯或智能手機(jī)屏幕將數(shù)字對(duì)象疊加在周圍的環(huán)境中。

一些科學(xué)家認(rèn)為VR和AR比傳統(tǒng)的平面屏幕更直觀，更適合用于瀏覽復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。其他人則通過(guò)基于智能手機(jī)的廉價(jià)頭顯來(lái)提高公眾對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的理解。他們的人數(shù)相對(duì)較少：VR和AR仍然是一項(xiàng)利基工具。但一些研究人員表示，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了新的視角。

Adam Lacy-Hulbert是華盛頓州西雅圖貝納羅亞研究所（Benaroya Research Institute）的首席研究員。他對(duì)溶酶體特別感興趣 （一種幫助清理細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)），但傳統(tǒng)顯微鏡的一些2D圖像令他感到困惑。Bulbert說(shuō)道：“這看起來(lái)就像是細(xì)胞溶酶體的一部分已經(jīng)移動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞核，而這看起來(lái)完全沒(méi)有道理?！?/p>

貝納羅亞研究所開發(fā)的工具ConfocalVR則借助VR來(lái)顯示共聚焦顯微鏡的圖像，這使得真正發(fā)生的事情“在幾秒鐘內(nèi)顯現(xiàn)出現(xiàn)”。細(xì)胞核實(shí)際上是在溶酶體周圍變形和移動(dòng)。

VR也為加利福尼亞大學(xué)的博士后研究員Wilian Cortopassi提供了幫助。ChimeraX是一種蛋白質(zhì)和其他結(jié)構(gòu)的分子可視化工具，它在2016年11月增加了對(duì)VR頭顯的支持。通過(guò)“行走”在氫鍵網(wǎng)狀組織的虛擬空間之中，Cortopassi明白了蛋白質(zhì)中的某些突變體是如何阻礙靶向藥物。Cortopassi指出，當(dāng)你對(duì)大量的原子進(jìn)行可視化時(shí)，電腦顯示器會(huì)非?；靵y；但在虛擬現(xiàn)實(shí)中，“你能夠以不同角度或距離瀏覽氫原子，并快速發(fā)現(xiàn)一些重要的相互作用?！?/p>

1. 虛擬現(xiàn)實(shí)

雖然存在價(jià)格便宜的選項(xiàng)，但大多數(shù)可視化工具只支持最昂貴的頭顯，如Facebook的Oculus Rift和HTC的Vive，因?yàn)樗鼈兛梢宰粉櫽脩舻念^部，并支持用戶在三維空間中自由行走。研究人員和玩家有他們的偏好，但OculusRift和HTC Vive之間的差異很小?！拔艺J(rèn)為目前還沒(méi)有明確的贏家。”ChimeraX的開發(fā)者之一Tom Ferrin如是說(shuō)道。他的實(shí)驗(yàn)室位于加利福尼亞大學(xué)，專門從事分子可視化工具。

并非所有工具都與所有頭顯兼容。InViewR僅適用于Oculus Rift，而ChimeraX和ConfocalVR則支持兩者。Oculus Rift和HTC Vive都基于Windows操作系統(tǒng)，但Vive同時(shí)兼容MacOS X。

VR是計(jì)算密集型的設(shè)備，因?yàn)槊恐谎劬Χ急仨毧吹讲煌膱D像以產(chǎn)生3D效果，而且這些圖像必須快速進(jìn)行刷新。在某些情況下，新顯卡可以提供足夠的計(jì)算能力，“但一般情況下，你可能需要購(gòu)置一臺(tái)新電腦”，Benaroya的信息學(xué)和研究技術(shù)主管，以及ConfocalVR的創(chuàng)造者之一Tom Skillman解釋道。Oculus Rift推薦使用VR認(rèn)證電腦，價(jià)格從850美元到3100美元不等。他們同時(shí)建議至少8GB內(nèi)存和一枚高端顯卡。

VR軟件本身也可能很昂貴。盡管ConfocalVR和ChimeraX對(duì)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)是免費(fèi)提供，但對(duì)商業(yè)公司而言則并非如此。ConfocalVR沒(méi)有提供價(jià)格信息，但ChimeraX可能需要支付高達(dá)20000美元的費(fèi)用。

對(duì)于喜歡團(tuán)隊(duì)協(xié)作的用戶而言，ConfocalVR的開發(fā)者在4月增加了支持4名用戶同時(shí)瀏覽和抓取同一VR空間中結(jié)構(gòu)的選項(xiàng)。這可能意味著科學(xué)家們不必面對(duì)面地一起工作，而這有可能會(huì)降低通勤成本。ChimeraX和InViewR的開發(fā)者都希望在未來(lái)增加類似的協(xié)作功能。

2. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

與VR相比，用于AR頭顯的可視化軟件則相對(duì)落后。美國(guó)密蘇里堪薩斯城醫(yī)院Children’s Mercy的信息總監(jiān)Mark Hoffman曾通過(guò)微軟HoloLens來(lái)瀏覽蛋白質(zhì)和CT掃描。

他表示AR的用戶友好程度高于VR，因?yàn)橛脩艨梢钥吹街車沫h(huán)境，所以不容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥。Hoffman實(shí)際上曾在VR中遭遇過(guò)暈動(dòng)癥，而這并非是一種罕見的現(xiàn)象。他說(shuō)：“在使用HoloLens期間，我從未感到任何的不適?！?/p>

但缺點(diǎn)是，HoloLens只能將對(duì)象投影至視場(chǎng)中心的一個(gè)相對(duì)狹窄的矩形區(qū)域。Hoffman指出：“這是取舍的一部分。AR并非完全的身臨其境，而是‘理解的促成者’。你在平面屏幕中可能會(huì)忽略很多東西，但在AR中卻會(huì)變得更為清晰。”比如說(shuō)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用。

Children’s Mercy的外科醫(yī)生正在探索手術(shù)前通過(guò)AR來(lái)瀏覽患者心臟的CT掃描。Hoffman采用循序漸進(jìn)的方法來(lái)通過(guò)HoloLens瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)將影像投影至空間的固定點(diǎn)，外科醫(yī)生可以探索具體的組織。Hoffman解釋說(shuō)：“他們可以走進(jìn)心臟的心室，他們可能會(huì)看到特定兒童的一條血管入口點(diǎn)沒(méi)有位于正確的位置?！盚oloLens售價(jià)3000美元，而且必須要直接向微軟訂購(gòu)。

3. 低成本的選擇

更廉價(jià)的頭顯可以幫助研究人員覆蓋更廣泛的受眾，比如說(shuō)基于智能手機(jī)的三星Gear VR或售價(jià)15美元的谷歌Cardboard。

Juicebox VR是一款專門面向這種簡(jiǎn)單設(shè)備的應(yīng)用。美國(guó)休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家Erez Aiden表示，這款工具可以把人類基因組的連接渲染成火星般的地貌。Juicebox VR的開發(fā)商正是Aiden的實(shí)驗(yàn)室，他表示：“當(dāng)人們與之交互時(shí)，他們真的能夠理解數(shù)據(jù)的樣子?！?/p>

生物學(xué)家同樣采用了Augment。這款應(yīng)用通常是用于可視化家具在房間中的樣子，而生物學(xué)家則利用該工具幫助同事和學(xué)生通過(guò)智能手機(jī)屏幕來(lái)瀏覽蛋白質(zhì)的3D模型。

對(duì)于有興趣自行開發(fā)可視化工具的研究人員而言，Unity則是其中一個(gè)最為普遍的開發(fā)環(huán)境。利用Unity來(lái)幫助Juicebox VR運(yùn)行在Mac Pro的Muhammad Saad Shamim指出，它運(yùn)行在相對(duì)適中的硬件上。Hoffman指出，對(duì)于HoloLens來(lái)說(shuō)，用戶不需要成為高級(jí)開發(fā)者才能導(dǎo)入3D對(duì)象。然而，他們需要熟悉Unity和微軟的Visual Studio編程環(huán)境。其他選項(xiàng)包括Unreal Engine，以及免費(fèi)3D圖形工具OpenGL。使用OpenGL創(chuàng)建ChimeraX的Ferrin表示，OpenGL比Unity或Unreal需要更多的前期工作，因?yàn)殚_發(fā)者需要直接處理更多的編程細(xì)節(jié)，但回報(bào)是功能的限制更少。

盡管VR和AR工具已經(jīng)在消費(fèi)者文化中開始普及，但目前只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用了該技術(shù)，而且還有多少人會(huì)效仿仍有待觀察。然而，許多倡導(dǎo)者預(yù)測(cè)VR和AR可能在未來(lái)五年內(nèi)成為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室工具。Skillman說(shuō)，該技術(shù)以三維方式向我們大腦提供信息，而這本應(yīng)是最自然的方式。他指出，在2D屏幕構(gòu)建3D心理模型需要大量的智力工作，但“當(dāng)你戴上頭顯時(shí)，所有這一切工作都會(huì)消失。