Por qué los científicos se adentran en el mundo virtual

Rachael Pells es periodista de ciencia y tecnología en Londres.

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En el laboratorio virtual de Stephen Hilton, los estudiantes que utilizan la realidad virtual están representados como avatares de robots; Aquí, tres usuarios trabajan juntos para aprender a usar una impresora 3D. Crédito: Stephen Hilton

Visitar el laboratorio de Stephen Hilton es una experiencia práctica. Aquí no se requieren pases de personal, calificaciones ni batas de laboratorio; los huéspedes pueden pasear y pinchar el equipo, incluso derramar productos químicos en el suelo si así lo desean, sin repercusiones. De hecho, lo alienta. “La ciencia debe ser interactiva. Se trata de ser capaz de hacer un desastre, cometer errores”, dice Hilton, entregándole una forma tridimensional que acaba de garabatear en el aire.

El laboratorio de Hilton es digital y se experimenta a través de cascos de realidad virtual (VR), por lo que el caos que se está creando es benigno. Pero el entorno refleja el espacio y el diseño del laboratorio húmedo de la vida real que dirige en la Facultad de Farmacia del University College de Londres, donde su grupo investiga la química sintética, incluido el descubrimiento de fármacos, aunque con colores más brillantes y algunos complementos sobrenaturales.

Cómo la realidad virtual está ayudando a impulsar el compromiso científico en el África rural

El concepto de realidad virtual ha existido desde la década de 1960, pero cualquier percepción persistente de que la tecnología es una moda pasajera (un juguete con gráficos torpes) está obsoleta desde hace mucho tiempo1. En los últimos años, acelerados por la pandemia de COVID-19 y gracias en parte a la caída del costo de los auriculares, más investigadores han estado explorando los usos y beneficios potenciales de incorporar la realidad extendida (XR) en su trabajo, incluida la realidad virtual, la realidad aumentada. Realidad (AR) y tecnologías de realidad mixta.

Marcas como Oculus Rift y HoloLens de Microsoft popularizaron la realidad virtual a través de los juegos; Ahora, Hilton y otros investigadores están implementando las mismas herramientas para monitorear experimentos, colaborar con socios de investigación internacionales y llevar a cabo programas de capacitación inmersivos para estudiantes y colegas.

Hilton usa los auriculares Oculus Quest 2 (ahora vendidos como Meta Quest 2) porque su costo es relativamente bajo (alrededor de £300, o US$380) y le permite tener varios auriculares mientras viaja al mismo tiempo. El software también se ejecuta en una PC, lo que permite la interacción entre PC y auriculares, así como combinaciones de PC-PC o auriculares-auriculares. Su laboratorio virtual se construyó utilizando el software de diseño 3D Unreal Engine del desarrollador estadounidense Epic Games y se ejecuta en un servidor local para usuarios individuales, cambiando a uno basado en la nube para programas multijugador y de conectividad de voz.

Durante la pandemia, los miembros del laboratorio de Hilton tuvieron dificultades para llevar a cabo reuniones productivas con socios de investigación en Alemania y Estados Unidos utilizando únicamente videollamadas. “En ese momento, los programas comerciales existentes eran costosos (entre £ 20 000 y £ 70 000) y no eran flexibles para nuestras necesidades, por lo que tuvimos que empezar desde cero”, explica Hilton. Ahora, su laboratorio virtual cuenta con una sala de juntas con capacidad para 20 personas; en el laboratorio real, el mismo espacio es un humilde armario de almacenamiento.

Tres asistentes de IA están disponibles para guiar a los investigadores por el laboratorio virtual del químico Stephen Hilton, que coincide con el diseño del laboratorio de la vida real. Crédito: Stephen Hilton

Hoy en día, utiliza el entorno de realidad virtual principalmente para capacitar a los estudiantes, quienes pueden practicar la realización de experimentos o completar tareas a las que se puede acceder a través de una computadora portátil o mediante auriculares de realidad virtual en casa y en el campus. Tres asistentes de IA (figuras humanas caricaturescas de tamaño natural que responden cuando los usuarios les hablan) están disponibles para ofrecer apoyo. Cada asistente tiene una función y una historia de fondo dedicadas, y se basa en una base de conocimientos programada, así como en el modelo de lenguaje grande de inteligencia artificial ChatGPT para guiar a los usuarios por el espacio virtual y responder preguntas sobre seguridad, inventario y existencias. Los clientes privados, que incluyen empresas e institutos de investigación, deben pagar una tarifa, lo que les permitirá ganar dinero en efectivo para futuros proyectos de laboratorio. Pero el equipo de Hilton también utiliza el entorno de realidad virtual para actividades de extensión educativa, recibiendo visitas de grupos de escuelas secundarias y colaboradores de muchos países del sur global.

Esto está ayudando a que la ciencia sea más accesible: mientras que antes Hilton y su equipo sólo podían supervisar a un puñado de estudiantes de química y miembros del laboratorio a la vez, ahora, un número ilimitado de estudiantes pueden practicar experimentos, evaluaciones de seguridad u otras escenas en casa o en casa. a través de instituciones asociadas en otros lugares, afirma. También significa que Hilton pasa menos tiempo repitiendo instrucciones o diciéndoles a los estudiantes dónde encontrar equipos, lo que lo libera para concentrarse en otros proyectos, incluida una expansión del programa de investigación de realidad virtual.

“Recientemente hemos creado una herramienta para que los asistentes virtuales hablen diez idiomas extranjeros”, afirma. “La base de conocimientos se traduce en tiempo real, lo que significa que puedo hablar directamente en inglés para responder la consulta de un estudiante y él escuchará la respuesta en su idioma local. Vemos una gran oportunidad para esto en muchos países del sur global”.

Una de las formas más sencillas de hacer que la formación virtual sea más accesible podría ser evitar por completo los idiomas hablados. "XR abre la posibilidad de utilizar gestos y lenguaje corporal (mostrar más que decir) sin tener que conocer muy bien el idioma", dice Koos De Beer, consultor e investigador de soluciones XR de la Universidad de Pretoria en Sudáfrica.

Las aplicaciones de realidad virtual dan a la ciencia una nueva dimensión

De Beer comenzó a trabajar con el Departamento de Ingeniería Minera de la universidad en 2010 en herramientas de capacitación basadas en XR para estudiantes, permitiéndoles "visitar" minas, túneles y otros espacios potencialmente peligrosos de forma remota, a través de un aula virtual. En los últimos años, su trabajo se ha ampliado para ofrecer programas de realidad virtual de manera más amplia en ingeniería y atención médica, particularmente en áreas pobres de la Sudáfrica rural.

Los avatares utilizados para representar a los usuarios de realidad virtual "no tienen que mirar ni hablar de una manera determinada", dice De Beer. Pueden mostrarse simplemente como robots, por ejemplo, sin necesidad de raza o género, aunque los prejuicios humanos presentan desafíos al diseñar las figuras. (Por ahora, dice Hilton, su programa utiliza avatares de robots que tienen torsos masculinos y musculosos, por ejemplo).

La realidad virtual también está ayudando a los estudiantes de medicina a acceder a oportunidades de aprendizaje antes en su formación. Simran Sharma, médica de obstetricia y ginecología de la Universidad de Cardiff y del Hospital Universitario de Gales en Cardiff, Reino Unido, estaba preocupada por la falta de exposición a la práctica del mundo real en los inicios de su carrera médica. "La primera vez que me encontré con un paciente con sepsis fue como médico cualificado, y ese es un escenario común en muchas enfermedades graves y raras", afirma.

El uso de maniquíes médicos para enseñar a los estudiantes cómo diagnosticar y tratar la sepsis se considera el estándar de oro para la formación, explica, pero la pandemia dificultó la formación presencial. “También es muy caro y requiere muchos recursos si se tiene en cuenta el coste de los maniquíes (unas 40.000 libras esterlinas), el tiempo del formador y el hecho de que está confinado a centros especializados. Y si te pierdes un día de entrenamiento porque estás enfermo, es mala suerte”, añade.

Estudiantes de medicina de la Universidad de Cardiff, Reino Unido, exploran escenarios virtuales de sepsis utilizando dispositivos de realidad virtual. Crédito: Rescape Innovation

Sharma se inspiró para cambiar esto en 2019 después de presenciar cómo personas embarazadas enfermaban peligrosamente de sepsis durante el parto. Mientras era investigadora en la Universidad de Cardiff, ayudó a desarrollar una herramienta educativa de realidad virtual para el reconocimiento de la sepsis como parte del Proyecto Sepsis, una colaboración de investigación del Reino Unido entre la medicina y la ciencia. Su proyecto de realidad virtual funciona mostrando a los estudiantes una serie de simulaciones que demuestran las diferencias entre los síntomas de la sepsis y condiciones similares. A diferencia del laboratorio virtual poblado de avatares de Hilton, Sharma optó por filmar actores interpretando escenas médicas realistas, que los estudiantes pueden ver e interactuar usando auriculares y teléfonos de realidad virtual. Luego, los estudiantes son evaluados sobre los conocimientos adquiridos durante la experiencia mediante pruebas de opción múltiple en pantalla.

“La realidad virtual ofrece un método de formación clínica estandarizado y repetible que no depende de la calidad del formador. Está basado en evidencia y se ha demostrado que es una herramienta poderosa en el cuidado de la salud y su uso está creciendo en todo el mundo”, dice Sharma. (Ver, por ejemplo, ref. 2.)

Además del potencial de la realidad virtual para la formación y la educación, muchos científicos que utilizan esta tecnología esperan que algún día haga que su trabajo práctico sea más eficiente.

Podcast de científico trabajador: Hablando de una revolución tecnológica en el laboratorio

En 2020, el químico Lee Cronin y sus colegas de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, diseñaron un programa de realidad virtual que le permite controlar los robots de su laboratorio de forma remota. Cronin y su grupo de investigación utilizan lo que él llama una “chemputer” (una serie de robots que pueden programarse para sintetizar moléculas orgánicas automáticamente) como parte de su búsqueda para descubrir nuevas moléculas y generar formas de vida artificiales. Esta automatización hace que los experimentos químicos sean más seguros al minimizar la necesidad de manipulación humana de los productos químicos, y mucho más rápidos, porque los robots trabajan 24 horas al día, 7 días a la semana.

La incorporación de la tecnología VR permite a Cronin mover componentes y dar instrucciones a los robots, dondequiera que esté. “También nos permite tomar atajos”, explica. “Puedo sostener el teléfono y tener un matraz cónico virtual en una mano. Si hago un movimiento de vertido, el robot sabe interpretarlo como un movimiento de líquido de la mano a a la b, por lo que puede encender una bomba y una válvula. Aún no está completamente implementado, pero el sistema operativo está ahí”, añade. "Es muy similar a la forma en que funciona un simulador de vuelo".

La 'computadora química' del químico Lee Cronin. El entorno de realidad virtual controla una serie de robots del mundo real que pueden programarse para sintetizar moléculas orgánicas automáticamente. Crédito: CroninLab, Universidad de Glasgow

Él piensa que la realidad virtual utilizada de esta manera podría tener un papel importante en muchos otros escenarios científicos potencialmente peligrosos, incluido el desmantelamiento nuclear y la investigación sobre desactivación de bombas. Y también hay beneficios para la productividad: “Necesitamos inventar más moléculas si queremos resolver grandes problemas sociales, como encontrar nuevos medicamentos para atacar enfermedades. Pero la investigación del espacio químico es realmente difícil”, explica. “Sólo hay unas 2.800 moléculas pequeñas aprobadas en la clínica [para medicamentos]; para llegar allí, ya debemos haber probado varios miles de millones de moléculas. Existen curas para el cáncer, pero físicamente no tenemos la capacidad de realizar cada reacción química una por una nosotros mismos”.

Según Cronin, su empresa derivada con sede en Glasgow, Chemify, ha recaudado más de 33 millones de libras esterlinas de inversores internacionales que han respaldado su plan para automatizar el diseño de nuevas moléculas para acelerar el desarrollo de fármacos.

La capacidad de visualizarse a uno mismo dentro de una realidad alternativa está inspirando nuevas vías de investigación. El neurocientífico Olaf Blanke dirige el Laboratorio de Neurociencia Cognitiva del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL). Después de años de investigación sobre prótesis y terapias cognitivas para personas con amputaciones, cree que las tecnologías de realidad virtual están revolucionando la comprensión científica del cerebro humano y las percepciones del propio cuerpo.

"La realidad virtual es esencialmente un espejo muy inteligente", afirma. “Como adultos, es muy fácil para nosotros decidir, cuando nos cepillamos los dientes, que no somos la imagen que vemos en el espejo, sino un reflejo. Pero una vez que tienes un avatar, puedes jugar con muchas perspectivas diferentes. Nos permite hacer nuevas preguntas sobre el yo visual y la autoconciencia”.

Superar los obstáculos a la invención

Es posible que la tecnología de realidad virtual algún día pueda reemplazar, o al menos mejorar, los métodos convencionales para estudiar la memoria y el trauma, dice. “Algo así como la memoria episódica solía probarse en el entorno de laboratorio pidiendo a los participantes que memorizaran una lista de palabras, lo que tenía limitaciones obvias. A través de la realidad virtual, podemos recrear entornos escénicos en 3D y luego probar la memoria junto con datos adicionales”, como el seguimiento de los movimientos oculares, la frecuencia cardíaca y otros signos vitales.

También ha estado experimentando con la realidad virtual para estudiar experiencias extracorporales, un fenómeno que se estima que experimenta el 10% de la población mundial, cuyas razones no se comprenden completamente3.

Blanke espera que una mayor comprensión en este campo conduzca a nuevas y mejores formas de tratamiento para las personas que padecen trastornos neurológicos. Pero todavía existen limitaciones tecnológicas. Los cascos de realidad virtual pueden volverse pesados ​​después de un tiempo y provocar náuseas en los usuarios. Y reclutar suficientes programadores siempre es un desafío, afirma. ”Sería fantástico tener más software que también fuera fácilmente adaptable para quienes no son programadores. Pero los científicos son una fracción muy pequeña del mercado, por lo que no veo que eso cambie en el corto plazo”.

Desarrollar programas de realidad virtual no es tarea fácil. Cuando Hilton estaba planeando su propio laboratorio virtual, un proyecto que comenzó en 2000 pero que fue impulsado por la pandemia en 2020, dice que estaba "un poco mareado por la arrogancia". Y añade: “Después de haber desarrollado nuestro propio software de impresión 3D y software de PC para flujo digital, pensamos que también podríamos crear fácilmente nuestro propio software de realidad virtual. Sin embargo, resultó más difícil de lo que habíamos imaginado inicialmente”. Han sido necesarios muchos años para que el software de Hilton alcance una calidad de la que esté orgulloso, con mucha ayuda de sus investigadores postdoctorales y sus habilidades de diseño asistido por computadora (CAD) en 3D.

“Tenemos alrededor de diez personas en el laboratorio con una combinación de experiencias (licenciaturas en biomédica, farmacia y química, pero nada de informática) y capacitamos a todos desde cero. Primero en diseño CAD de equipos reales, luego en programación de IA y luego de CAD a VR. Todos [los miembros del laboratorio] dirigen las sesiones con los usuarios, para que luego se acostumbren a la capacitación de otros en realidad virtual”, dice Hilton. Pero no todos los laboratorios cuentan con ese tiempo y recursos.

En su mayor parte, parece que el uso práctico más amplio de la realidad virtual en la ciencia y la investigación será como herramienta de formación. Existen oportunidades claras para la extensión educativa, la ampliación de los cursos y la mejora de la accesibilidad. Pero no es una solución mágica: persisten las barreras de acceso, a pesar del costo relativamente bajo de los auriculares.

Estos programas dependen de una conexión rápida a Internet, algo de lo que carecen muchas regiones. En 2021, todavía había 2.900 millones de personas sin Internet, según Naciones Unidas. En Sudáfrica, por ejemplo, incluso las grandes ciudades luchan con la conectividad como resultado de los apagones, y el acceso a Internet nunca es un hecho en las zonas rurales. Para De Beers, eso significa garantizar que todos los programas que ayuda a desarrollar estén diseñados para funcionar con datos de teléfonos móviles y no dependan de Internet de banda ancha. Pero incluso esto puede resultar problemático, afirma. "A menudo necesitamos planificar con anticipación para incorporar nuestras propias fuentes de conectividad", dice, por ejemplo utilizando satélites, aunque el acceso a Internet satelital de baja latencia de la empresa aeroespacial Space X, llamado Starlink, lo ha hecho más fácil.

La falta de comprensión sobre las tecnologías de realidad virtual también sigue siendo una barrera fundamental para una adopción más amplia. Como explica Sharma: “Para muchos de los profesores académicos a los que les mostramos nuestro producto, la realidad virtual era vista como algo completamente extraño y antinatural. Pero para los estudiantes de medicina de veintitantos años con los que trabajamos, realmente no es gran cosa”.

Para que se acelere el cambio cultural, las universidades y otros centros de aprendizaje pueden asumir un papel proactivo. "Gran parte de nuestro trabajo también consiste en exponer a las personas a la tecnología, acostumbrarlas a ella, porque no hay duda de que tendrán que trabajar con ella en algún momento de su carrera", explica De Beers. Con este fin, su equipo de la Universidad de Pretoria ha creado “la caja de juguetes XR: un espacio único donde los estudiantes y el personal pueden entrar y jugar con la tecnología. Es una herramienta de exposición”, explica.

¿Es la realidad virtual una excusa para que los científicos jueguen con juguetes en el laboratorio? "Por supuesto", admite Cronin. “Pero también es mucho más que eso. Los seres humanos siempre han utilizado herramientas para hacer nuevos descubrimientos, y esta es sólo la siguiente herramienta de la caja. No creo que le quite valor al conocimiento humano. Pero ciertamente cambiará la naturaleza del trabajo y, con suerte, conducirá a una mejor forma de trabajar”.

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

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