元宇宙在科学实验中的应用研究

乔艳敏，羊红光，周云飞，成 彬

(河北省科学院应用数学研究所，河北省信息安全认证技术创新中心，河北 石家庄 050081)

0 引言

科学实验是科学研究的一个重要手段，在科学发现、科学教学等方面都具有十分重要的作用。近年来，科学实验中的安全、可重复问题已经成为社会关注的焦点[1-2]。云计算、大数据、人工智能、区块链、虚拟现实等新兴技术的快速发展和广泛应用，解决了很多领域的瓶颈问题。元宇宙是这些新兴技术衍生出的新一代互联网应用，可实现人机协同、智能辅助、沉浸观测、自动记录、平台共享等新型体验模式[3-4]。元宇宙应用于科学实验领域，可实现一种全新的科学实验方式，有效解决科学实验领域存在的难点问题[5-6]。

1 研究现状

科学实验包括科学研究中的实验和实验教学中的实验。在科学研究中，公开发表的实验结果有时无法被重复出来，由此带来的可重复性已成为科学研究中一个不可忽视的问题[7]。众所周知，科学研究所产生的知识应具有可靠性和真实性，而科学实验的可重复性就是体现可靠与真实的一个重要指标。造成科学实验难以重复的主要原因有：实验环境不同、实验操作问题、实验材料的差异、人为因素。在科学实验中，一些被认为不重要的实验条件会被忽视，一些严格的实验环境常常得不到满足。在实验准备阶段，实验材料的制备、存放都会影响实验结果的产生及重复。在实验操作中，实验反应时间节点的掌控、试验记录不完整、实验观察不细致等常带来实验结果记录不同，会造成实验结果难以重复。在实验数据整理阶段，有些人故意纂改实验数据是造成实验结果不可重复的重要原因。此外，科学实验中偶尔会出现安全事故，主要由实验操作不规范，操作失误和设备存在安全隐患等因素造成[8]。

实验教学中的实验是对大中小学生设置的训练性项目，经常会出现教学实验目标难以实现的问题[9]。导致这些问题的原因主要有：教师讲解和指导不到位，学生对实验步骤不清楚、实验操作不熟练、实验观察不细致、实验数据未能及时收集，学校实验条件差。

现实虚拟技术为解决科学实验中的各类问题提供了新方案。孟欣提出了一种智能导航式交互模式，通过监控用户行为对学生实验进行引导，提高了虚拟实验的操作感[10]。李雯君探讨了NOBOOK 虚拟实验室的应用策略及不足[11]。Diana Bogusevschi等设计和开发的3D 沉浸式物理教育应用程序，解决了科学实验室缺乏设备和材料的问题[12]。张晓蓉等设计的沉浸式实验系统，通过手势和视觉追踪的交互方式完成实验操作，并从多个角度对实验进行了评估[13]。

2 元宇宙及其在科学实验领域应用的优势

“元宇宙”这一概念因Facebook更名爆红，受到国内外大型互联网企业、资本市场及多行业的追捧，被认为是下一个互联网风口[14-19]。元宇宙是整合通信技术、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、区块链等技术的新一代互联网应用，通过用户自主创作内容把现实世界的经济、社交、身份系统带入虚拟世界中，塑造出虚实融合、虚实共生的新社会形态。元宇宙具有三方面特征：(1)万物交互，在元宇宙环境下所有用户可进行实时互动，如操控互动、互动学习等。(2)虚实融合，用户可跨越现实和虚拟两个世界，实现商业、身份和社交活动的融合。(3)去中心化，利用区块链技术实现各类信息保真、身份认证[20]。

在科学实验应用方面，元宇宙在以下三个方面具有独特的优势：(1)更便捷的交互方式。元宇宙的硬件多样又智能，如VR/AR、脑机接口、各类传感器、智能耳机、触觉手套、体感服等。它们带来更强的用户沉浸感、更多维度的体验与交互，给实验操作者提供“所想即所得”的互动体验。在云端数据处理和智能运算支持下，放在实验室内的机器人为用户提供感知和操控服务，与元宇宙应用系统开展交互。(2)更智能的技术支持。在元宇宙中，人工智能技术可提供自然语言处理、语音合成与转换、图像和视频的合成与迁移等多模态学习能力，产生更贴近现实的交互内容，为科学实验开展提供数据分析、实验监测、个性化推荐等智能化服务。(3)更可靠的数据记录。利用区块链的分布式、透明性、可追溯、防篡改等特征，元宇宙系统可实时采集和安全存储实验数据，避免实验数据遗漏、被篡改的情况发生，有效解决实验数据不可重复的问题。

3 基于元宇宙的科学实验平台设计

元宇宙能够借助多种类软硬件为实验开展带来信息互联互通、师生实时互动等服务，提供一种人机协同、智能辅助、沉浸观测、自动记录、平台共享等新型体验模式。

3.1 系统架构

元宇宙科学实验系统的架构主要包括物理层、软件层、应用层和分析层，如图1所示。

图1 元宇宙科学实验系统架构图

(1)物理层。包括支撑元宇宙构造的计算、沉浸、操控设备及网络基础设施。为了满足元宇宙算力需求，系统选用支持CPU、GPU、FPGA、DPU、ASIC等芯片协同工作的高性计算设备，提供云计算与边缘计算服务，降低用户使用门槛。系统采用高速固网宽带和新一代无线通信网络相结合的方式，满足元宇宙数据传输量大、延迟小、连接量大的需要，更好地支撑人机物实时互联交互。VR设备为用户提供沉浸感体验，触觉手套采用多组微型传感器对用户的手部态势进行智能感知与识别，体感服接收虚拟空间里带给用户身体动作的即时反馈，机器人实现虚拟世界与真实世界的联动，传感器实现对物理实验环境和现象的实时监测与虚拟图像生成。

(2)软件层。包括元宇宙系统和应用软件系统。Roblox始于2D 模拟物理实验平台，是一个较为完备的元宇宙平台，可提供用户身份认证、虚拟空间构造、数字交易、多平台访问等环境。本文利用Roblox开发元宇宙科学实验系统。Roblox Studio是面向开发者的实时社交体验开发环境，具有进入门槛低、创作自由度大、平台用户多、技术模块多等优势。Roblox Studio对各类VR设备均有较好的支持，可采用它建构科学实验的空间任务。应用软件系统包括VR软件系统、云系统、区块链、人工智能。通过VR软件系统打通所有设备的交互，复原人体的听、视、嗅、触和前庭等五感，增强用户的沉浸式体验感。通过云系统为应用系统提供算力和存储，提高本应用的可用性和扩展性。通过区块链实现数据、数字的传输，促进多种技术在元宇宙中的深度融合。通过人工智能系统中的计算机视觉、智能语音语义、机器学习等算法，提升本应用的智能化水平。

(3)应用层。用户在元宇宙中开展具体科学实验活动的模块集。除了用户管理、设备管理、安全管理等传统的模块外，本系统主要设计了探究型实验和指导型实验两个核心模块。探究型实验主要为科研人员的探索研究活动提供服务，设置实验模拟、实验推演、远程实验、自动观测、数据收集整理等功能，旨在为科研人员提供更安全的实验场景，更智能的实验服务。指导型实验主要为中小学提供成熟的实验教育服务，设置实验步骤指导、实验过程指导、实验总结、语音提示等功能，旨在提高学生完成实验的规范度，引导学生更直观地观察实验现象。

(4)分析层。针对探究型实验，根据用户对实验总体及关键节点的设定目标，结合实验过程产生的实验数据，开展科学实验设计评估和多维度数据分析。针对指导型实验，提供实验完成过程分析。通过传感器采集用户的实验操作数据、实验生产数据，利用设定的分析算法对实验瑕疵、操作规范性进行分析，并对用户的行为、认知进行分析。

3.2 实验综合评估方法

根据实验数据，元宇宙科学实验系统对科学实验的完成情况进行综合评估，一方面对探索性科学实验进行回溯分析，发现实验结果与实验目标间的差距，分析可能原因；另一方面对指导型实验操作及完成状况进行综合评估。

探索性实验评估包括实验设计、实验目标分析、实验过程分析等几个方面。实验设计是从实验原理分析、实验合理性、实验潜在的风险等方面进行评估。实验目标分析是从实验预设的子目标的完成情况、实验整体目标的完成情况、实验目标未完成的可能原因等几个方面进行评估。实验过程分析是从实验操作规范数据、实验节点把控等方面进行评估。

指导型实验评估包括实验瑕疵分析、实验完成度分析、实验结果分析、详细评估等几个方面。实验瑕疵分析是基于全实验过程中存在的动作偏差值、时间操作偏差值、投入原料剂量的偏差值等因素进行评估。实验完成度分析是基于每个实验步骤内产生的实验现象、生成物等因素进行评估。实验结果分析是基于实验预定的各个目标与实验完成结果间的差异等因素进行评估。详细评估是对每一个步骤的操作及完成结果进行具体评估。

系统采用灰色关联度法进行评估指标权重的计算，对权重进行修正后，获得实验效果评估。

4 结束语

该平台是一个易操作、高安全、智能化的科学实验平台，通过引入元宇宙设备和系统实现了实验操作者和实验环境的物理分离，实现了沉浸式实验观测、实验数据自动记录、智能数据分析和实验综合评估等功能。该平台降低了实验操作者的门槛，提高各类学校的实验水平，减少科学实验事故造成的人员伤亡，助力实验教学和科学研究领域信息化升级和智能化发展。