當科學遇到游戲

李明子

如果把一個展示星系圖像的電腦放在酒吧中央，會有人感興趣嗎？畢竟，這看上去是一份頗有難度的專業(yè)性工作，而且十分耗時。

蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院天文學教授凱文·肖文斯基12年前還是學生的時候，查看天文圖像還需人工完成。當時，計算機可以根據(jù)顏色輕松過濾出哪些是星系，但算法卻無法根據(jù)形狀來識別不同類型的星系圖像，教計算機完成復雜圖像的識別任務在當時還很難，類似的人臉識別技術耗費了科學家十多年才完成。為了證實自己的理論，凱文只能用肉眼一張一張地看星系圖像。

凱文每天工作12個小時，一周才看完5萬個星系。當時最大的天文數(shù)據(jù)庫來自美國新墨西哥州的斯隆數(shù)字化巡天項目，200多萬個天文物體中，有關星系的就有近百萬。大量的數(shù)據(jù)又無法通過人工智能來處理，去哪兒找那么多人來做數(shù)據(jù)分析呢？

超過57000名“作者”共同完成的論文

那時候，剛好興起了“公眾科學”的概念。2006年夏天，美國宇航局（NASA）啟動了“Stardust @ home”項目，招募了約兩萬名在線志愿者來識別彗星樣本中的星際塵埃軌跡。

為什么不讓人們看看星系呢？凱文和之后成為牛津大學物理系天體物理學教授的克里斯·林托特決定試試。兩人在幾天之內(nèi)成立了一個網(wǎng)站，主頁顯示著數(shù)據(jù)建立起的星系圖像。當志愿者點擊每一張圖片時，會被問及圖中星系是螺旋形還是橢圓形;如果回答是螺旋狀，會進一步被詢問是否可以辨別星系手臂方向和旋轉方向等等。

2007年7月11日，這個名為星系動物園的網(wǎng)站正式推出。創(chuàng)始人一開始并沒有對網(wǎng)民接受度抱太大期待，“去英國天文學會忽悠50個人來和我們一起做星系數(shù)據(jù)分類？”林托特構想著。

讓他們沒想到的是，網(wǎng)站推出第一天，每小時收到6萬份反饋，暴增的工作量甚至融化了電纜，網(wǎng)站因此離線了一段時間。十天后，來自世界各地的用戶提交了800萬份分類數(shù)據(jù)，網(wǎng)站建立頭一年，就已經(jīng)有超過15萬公眾參與，提交分辨結果超過5000萬份。

兩年后，星系動物園發(fā)展成更大的平臺“宇宙動物園”（Zooniverse），到2014年，注冊用戶數(shù)已經(jīng)超過100萬，涵蓋的科研項目從考古到自然保護。據(jù)宇宙動物園的研究員兼網(wǎng)絡開發(fā)人員羅伯特·辛普森介紹，Zooniverse社區(qū)年均貢獻超過以往50年的努力，并且已經(jīng)發(fā)表了70多篇科學論文。

在游戲Foldit中，玩家們操縱過的一個鏈狀蛋白質(zhì)結構案例：上圖為操縱前，下圖為操縱后的結果

在林托特和他的團隊開發(fā)星系動物園的同時，美國西雅圖華盛頓大學的生物化學教授戴維·貝克找到兩位計算機科學家賽斯·庫珀和阿德里安，試圖讓網(wǎng)友通過玩游戲的方式幫助生物化學家們解決蛋白質(zhì)折疊問題。

他們將這款游戲命名為Foldit（直譯：折疊它），于2008年5月發(fā)布。玩家從部分折疊的蛋白質(zhì)結構開始，通過點擊、拉動、拖拽氨基酸來操縱結構，直到達到最穩(wěn)定的形狀。

最初試玩時，生物化學家們看上去并不興奮。隨后，庫珀增加了一個排行榜。通過算法計算，新結構的穩(wěn)定性越高，得分越高，在排行榜上還能看到其他玩家的分數(shù)和排名。

2010年7月、8月，戴維團隊先后在《自然》和《科學》雜志上發(fā)布了這款游戲的研究成果，作者欄處像開玩笑一樣寫著“超過57000名玩家”，作者單位寫的則是“全世界”（Worldwide）。

網(wǎng)站成立十年間，已經(jīng)有50多萬人嘗試過這款游戲，他們中的大多數(shù)并沒有生物化學背景，但他們正在擊敗一起玩游戲的專家。2011年，一群玩家解決了困擾生物化學家長達15年之久的難題，他們用不到3周的時間將一種可導致恒河猴艾滋病的蛋白質(zhì)折疊了出來，這一結構隨后通過實驗數(shù)據(jù)得到了證實，并發(fā)表在《自然》子刊上。

以游戲的形式完成科研眾包的案例屢見不鮮，它打破了專業(yè)實驗室和普通大眾之間的圍墻。“這類游戲大部分出現(xiàn)在天文觀測、生物醫(yī)學領域，因為涉及大量聲音或數(shù)據(jù)圖像的處理，而人工智能暫時又無法替代人類完成分析工作。” 安徽大學新聞傳播學院教師胡昭陽分析說。

“EteRNA”網(wǎng)絡游戲平臺同F(xiàn)oldit類似，也是計算機與生物化學的集合，美國卡內(nèi)基梅隆大學的兩位教授希望通過玩家的幫助構建RNA（核糖核酸）的多維結構，以加深對它的理解。

首次登錄的玩家將獲得有關RNA分子結構的基礎知識，之后根據(jù)指令將RNA分子折疊成特定結構，通過不斷調(diào)整，讓其穩(wěn)定。與此同時，實驗室的工作人員也將測試玩家們創(chuàng)建的分子結構，并將測試結果與新一輪任務發(fā)回給玩家。2014年，一篇題為《來自大型開放實驗的RNA設計規(guī)則》的論文發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上，署名作者多達3.7萬人，其中科研人員僅有10名。

游戲《星戰(zhàn)前夜》的“探索計劃”，借助玩家數(shù)量優(yōu)勢，完成科研項目數(shù)據(jù)分析。

丹麥奧胡斯大學的一個研究小組還設計了一款名為《量子移動》的游戲，試圖最終建造一臺由300個原子構成的可擴展的量子計算機處理器。

嵌入游戲的“公眾科學”

與這些專門設計的科研游戲不同，還有一些科研項目與既有的游戲合作，借助其玩家數(shù)量的優(yōu)勢，完成數(shù)據(jù)分析。游戲《星戰(zhàn)前夜》（Eve Online）的“探索計劃”就是這種組合。

“說實話，探索計劃是很抽象、很乏味的東西，對眼神不好的人來說更是痛苦。”資深Eve玩家遠夏對《中國新聞周刊》說，Eve在國內(nèi)不是大眾游戲，在Eve玩家中，很多人都沒搞懂“探索計劃”怎么玩，所以玩的人更是少數(shù)中的少數(shù)。

《星戰(zhàn)前夜》是一款以太空科幻為背景的多人在線游戲，由冰島CCP游戲公司制作，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)行近16年。游戲中，玩家駕駛各式自行改造的艦船在7000多個行星系中穿梭，還可以進行各種經(jīng)濟活動，如采礦、制造、貿(mào)易、戰(zhàn)爭。在這款沙盒游戲中，幾乎所有內(nèi)容都是通過玩家互動所創(chuàng)造的，如主權紛爭、領袖戰(zhàn)爭，沒有設定劇本，這意味著在這個虛擬世界需要真實的社交。

然而，游戲公司或許還想加入更真實的內(nèi)容。2016年，CCP游戲公司與瑞典人類蛋白質(zhì)圖譜計劃、冰島雷克雅未克大學等機構合作，引入公眾科學項目“探索計劃”。第一期項目中，共有超過30萬名玩家分析了超過3300萬個細胞圖譜樣本，研究結果已經(jīng)上傳到公開的“人類蛋白圖譜數(shù)據(jù)庫”中，并正式發(fā)表在《自然·生物技術》上。

時隔一年，CCP又開啟了第二期探索計劃，與雷克雅未克大學等合作，讓玩家?guī)椭治鰯?shù)據(jù)，從而搜索到太陽系外行星，即太陽系以外圍繞著一顆或多顆恒星運轉的行星。1990年代人類才首次確認系外行星的存在，而自2002年起每年都有超過20個新發(fā)現(xiàn)的系外行星。這次玩家要分析的數(shù)據(jù)來自法國國家太空研究院和歐洲空間局發(fā)射的CoRoT衛(wèi)星。

復雜的數(shù)據(jù)和分析過程是如何簡化為普通人就能學習和操作的游戲的呢？

目前探測系外行星方法眾多，而CoRot衛(wèi)星采用的就是“凌日法”，基本原理是觀察恒星亮度在有行星橫穿或路經(jīng)其表面時發(fā)生的細微變化，優(yōu)勢是可以從光變曲線測定行星的大小。可以類比為月食過程，地球即觀測者，太陽是被觀測的恒星，當月球從地、日之間穿過時，會影響地球觀測到的太陽的亮度變化。

不過，現(xiàn)實中恒星的光度曲線變化并不只受到行星的干擾。恒星本身的光度也不是恒定的，會出現(xiàn)周期性變化，同時，也無法避免衛(wèi)星觀測、采集數(shù)據(jù)時出現(xiàn)誤差。因此，行星出現(xiàn)時光度下降的波段會隱藏在諸多“陷阱”中，需要玩家了解基本常識并多加訓練后，才能辨別真?zhèn)危@些都出現(xiàn)在“探索計劃”的教程中。

“這類游戲實際上就將科研中大量人力分析工作眾包出去，即分派給游戲玩家。”

正式開始前，玩家還需先通過一些簡單的測驗，即分辨有行星凌日的光變曲線，或沒有這一過程的曲線，如果是前者，則需找出行星出現(xiàn)光度曲線下凹的波段。通過后才會接到真正的CoRot望遠鏡收集到的數(shù)據(jù)。

即便可以事先教學，但如何避免玩家提交的錯誤答案呢？

“這是技術問題，并不復雜。”貝葉斯數(shù)據(jù)技術有限公司創(chuàng)始人鄧熙浩對《中國新聞周刊》說，他們設計的游戲《燈塔計劃》試圖讓玩家在不斷升級的過程中了解人類發(fā)現(xiàn)脈沖星這段科學史，其中也會引入和主線故事相關的內(nèi)嵌科研小游戲，數(shù)據(jù)來自印度天文臺，玩家通過游戲幫助尋找脈沖星。這款游戲規(guī)避錯誤數(shù)據(jù)的方法是，將同一數(shù)據(jù)轉發(fā)給多位玩家獨立完成，以此多重驗證分析結果的準確性。

既然入門困難、玩時間長了又覺得單調(diào)乏味，科研游戲又如何吸引玩家呢？遠夏認為，“探索計劃”并不是用來延長玩家玩游戲的時間的，這個項目就是利用大量玩家的勞動力，縮短科研周期，“我玩這個游戲，就是為了獎勵，除了經(jīng)驗值，獎品是通常情況下在游戲中買不到的非常昂貴的裝備，比如極品艦船。”遠夏說。

“科研項目是宣傳亮點，真正將玩家留下的是《燈塔計劃》的游戲故事主線。”鄧熙浩坦言，2018年10月，《燈塔計劃》通過《環(huán)球科學》和中科院物理所的科普平臺發(fā)出邀請，開始公測，目前1000多名玩家的日活在10%以上，已經(jīng)分析幾十萬條數(shù)據(jù)，“比Foldit的效率高多了。”鄧熙浩說。

為了及時收到反饋，鄧熙浩還成立了一個玩家群，據(jù)他介紹，玩家主要是15～30歲的一二線城市高學歷人群，其中男性占7成左右。

瑞典哥德堡大學哲學、語言學和科學理論系高級講師克里斯托·弗庫倫伯格2016年11月在《公共科學圖書館》雜志刊文稱，公眾科學的概念是由科學研究行業(yè)內(nèi)外許多參與者共同提出的，多與大型數(shù)據(jù)集相關，在科學界之外動員人群以協(xié)助觀察的方式參與其中。也有說法稱，公眾科學是科學民主化的一種方式，可以影響環(huán)境和健康領域的政治決策。

相比之下，這類科研游戲在中國還沒被提到“公眾科學”的層面，更多是在“科研眾包”或“功能游戲”領域被討論。胡昭陽說，“這類游戲實際上就將科研中大量人力分析工作眾包出去，即分派給游戲玩家。”

另一方面，“功能游戲”的概念也在近幾年被提出。2018年9月，中國科協(xié)主辦的一場會議論壇上，騰訊研究院高級研究員劉瓊介紹了一類“以解決現(xiàn)實社會和行業(yè)問題為主要目的”的游戲，這類游戲被稱為“功能游戲”，在國外也叫“嚴肅游戲”，科學普及是其最基礎的功能，此外還有教育、培訓等功能。

鄧熙浩說，“科學應該有更現(xiàn)實、更多樣的發(fā)展。”在他看來，科學應該是一個可以產(chǎn)生社會價值的行業(yè)，除了科普文章和科學探險節(jié)目外，還應該有更多樣的發(fā)展方式。“科學是可以給人帶來快樂體驗的行業(yè)，而能給人帶來快樂的產(chǎn)業(yè)都是無法預測的，就像電影不拍出來永遠不知道票房會有多少，科學的市場有多大，同樣無法預估。”