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21世纪科学的共享计算 {#4aa1 .graf .graf—h3 .graf—leading .graf—title name=“4aa1”}
文明进步中最大的飞跃来自于观察和讨论想法的新形式 --- --- 书面语言、数学符号、交互式计算 --- --- 这些我们可以broadly称之为”用户界面”。尽管在当今的科学过程中计算机已经十分普及，我们认为科学家们还没有充分利用计算的全部力量来观察和讨论他们的想法。科学实践正在等待着突破性的用户界面。
我们正在发明共享计算，作为21世纪科学的用户界面。计算被整合到物理世界中，科学家们通过构建由动态模型组成的沉浸式环境来观察和讨论想法，在这个环境中，看不见的概念变得可见和可触摸。
一个变革性的界面不可能凭空发明，而必须在真正前沿实践的蓬勃环境中应运而生。为了建立这样的环境，我们打算创建一个分子创客空间，在这里，来自多个领域的专家将汇聚一堂，利用新颖的工具和实践方法合作开展纳米尺度的项目。这个社区的需求将推动一种用于开展科学研究的全新计算媒介的发明，而社区本身将把21世纪的科学带入普通使用。
从长远来看，我们认为共享计算将为普及科学素养开启大门。图形用户界面创造了数十亿计算机用户。我们的目标是创造数十亿科学家。 ::: ::: :::
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引言 {#dad8 .graf .graf—h4 .graf—leading name=“dad8”}
对共享计算和分子创客空间的简要描述。
- [用户界面为看不见的概念赋予物理形式。]{#97f9}
- [共享计算是21世纪科学的用户界面。]{#a92d}
- [第一个21世纪科学实验室将是一个分子创客空间。]{#9dbf}
情景示例 {#d0e8 .graf .graf—h4 .graf-after—li name=“d0e8”}
描述了一个假设的科学家团队在分子创客空间中合作的场景。这只是我们想象中每天在这个空间中进行的无数项目、专业领域和配置中的一种情景和一种空间配置。
前期工作 {#6612 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“6612”}
虽然看起来很未来主义，但这里描述的内容并非科幻。我们已经开发了许多所需的核心技术，这个场景是基于我们真实的工作原型延伸而来的。我们在类似所展示的共享计算环境中进行日常工作，并已经发展了共享计算社区。
长期愿景 {#bfdb .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“bfdb”}
有朝一日，数十亿人将创建和讨论物理现象的计算模型，并沉浸在今天只有专业科学家才能真正理解的不可见系统中。我们相信，普及科学素养对于引导地球走向可持续的未来至关重要。
人物介绍 {#7508 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“7508”}
Shawn Douglas是3D DNA折纸技术的共同发明人，他创造了推动DNA折纸领域发展的CAD界面。Bret Victor和Luke Iannini共同发明了Realtalk，这是世界上唯一的自托管共享计算环境。在此之前，Victor是苹果公司的用户界面设计师，参与了iPad和macOS的设计工作。 ::: ::: :::
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用户界面为看不见的概念赋予物理形式 {#0f89 .graf .graf—h4 .graf—leading name=“0f89”}
没有人要求发明图形用户界面。它不在任何国家研究议程上。用户也没有需求 --- --- 他们是一小群使用计算机进行专门技术任务的专业人士，他们接受命令驱动的文本界面，认为这就是使用计算机的方式。公众也没有需求 --- --- 大多数人一生都不指望能接触到计算机。
直接操作屏幕上空间排列信息的概念是由一小群远见卓识者自发发明的，特别是在20世纪60年代和70年代Doug Engelbart和Alan Kay的研究小组中。他们相信，如果能够以可见、可操作的形式表现这些想法，计算不仅仅是数字运算，还可以成为所有人观察和讨论想法的媒介。
这些概念最终通过Apple Macintosh、Microsoft Windows和万维网变得无处不在。这是使计算本身普及的突破。这个界面的发明使地球上的每个人都能成为计算机用户，也使计算能被用于一切。
从广义上讲，我们可以将”界面”定义为给予不可见概念以物理形式，从而改变这些概念被观察、推理、操作和讨论的方式。图形用户界面为计算概念提供了可见的和空间的形式，引发了全球性的变革，人们现在可以将他们的视觉和空间理解应用到任何可以用计算方式表示的事物上。
从这个意义上说，文明进步中一些最大的飞跃是由新的”界面”驱动的。回溯几千年，我们发现了有史以来最具变革性的界面：文字的发明，尤其是字母的发明，它使语言物理化。无形、短暂的声音变成了可以被看见、研究、玩味和保存的物理标记。
在14世纪：位值阿拉伯数字的发明，这是第一个”数字的用户界面”，使得计算可以在纸上进行。这使得算术变得可见和可操作，并使得普及算术素养成为可能。
在17世纪：代数符号的发明作为”数学的用户界面”，使数学关系以食谱式程序永远无法达到的方式变得可见、可操作和可抽象。
在18世纪：数据图表的发明作为”数据的用户界面”，使人们能够将视觉理解应用于随时间变化的情况。如今，所有这些界面都被视为理所当然，但没有它们，现代科学将是字面意义上的不可想象的。
这些不仅仅是发明或发现。它们中的每一个都使此后所有的突破成为可能。一个根本性的新界面会永远影响一切。 ::: ::: :::
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共享计算是21世纪科学的用户界面 {#3eaa .graf .graf—h3 .graf—leading name=“3eaa”}
界面为看不见的概念赋予物理形式，而在科学中，看不见和无形的概念比比皆是。
一位研究员将液体转移到试管中，其中看不见的分子根据看不见的力量进行看不见的反应，形成看不见的键。她编写Python脚本，设置无形的算法来操作看不见的数据，以模拟基于看不见的数学的无形模型。她向同事展示她的工作，试图用文字和卡通来表示看不见的、微妙的动态系统。
就像图形用户界面出现之前的计算机专家一样，今天的科学专家通常并不要求改变这种状况。应对不可见事物的挑战被认为是现代科学工作的本质。
我们设想的”21世纪科学”中，所有这些概念都是可见的、可触摸的、可操作的世界中的事物，科学家们在使用和讨论它们时能充分发挥人类的各种能力。如果充分实现，我们可以期待这个界面的影响不亚于过去几个世纪的伟大界面。
计算 {#9289 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“9289”}
按照我们的设想，这种转变将需要对计算的本质以及它如何融入科学生活进行彻底的重新构想。
当然，今天的科学家使用计算机，似乎无所不用 --- --- 规划实验；收集、分析和可视化数据；模拟数学模型；与合作者交流；阅读和撰写论文；制作幻灯片。计算能力每年都在扩展 --- --- 昨天的超级计算机是今天的袖珍表 --- --- 每年，科学计算似乎都变得更加复杂和不可或缺。
我们相信，今天在科学中使用的计算方式在回顾时会被视为令人震惊地有限、脱节和削弱能力的。共享计算基于全新的技术，实现任何事物的计算、每个人的计算，以及作为交流的计算。
与任何事物进行计算 {#9380 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“9380”}
在今天的科学实验室中，计算发生在屏幕上。21世纪的实验室不需要屏幕，甚至不需要所谓的”计算机”，因为所有的物理空间和所有的物理材料都可以用来计算。从小试管到纸箱，再到墙壁和地板，一切都是可编程的对象。类似于19世纪电灯的引入如何改变了建筑和工作的性质，这个空间被”21世纪的光”照亮，使每个人都能让物理对象生动起来。
有了这种能力，科学家们通过动态模型 --- --- 存在于现实世界中的计算模型 ------来处理看不见的概念。这些模型可以采用任何最适合理解和操作它们的物理形式：便利贴、雕塑、桌游、墙壁壁画，甚至整个房间。人们可以拿着它们，传递给彼此，围绕它们聚集，在其中行走，仔细检查或注意到它们的细节。科学家们对看不见的概念发展出深刻的直觉，因为活生生的动态模型无处不在，用于一切。
科学关注的是物理世界中发生的事情。随着计算也被整合到物理世界中，模型不再局限于模拟的”可能现实” --- --- 它们可以代表实验台上此刻的”真实现实”。实验者使用计算来观察她的分子在做什么，并使它们做其他事情。分子和计算存在于同一个世界中。
这些模型默认是多人参与的。因为它们是物理的，每个人都可以随时看到它们并亲手操作。所有活动都成为群体活动，并邀请自发的合作。
也许出人意料的是，在物理世界中进行计算大大降低了复杂性并提高了灵活性。计算活动大量利用物理和社会机制，所以实际需要计算的部分可以相对较小且影响力大。这些特性对实现每个人都能进行计算至关重要。
每个人都进行计算 {#84b8 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“84b8”}
我们设想所有科学家通过制作和编程动态模型来表达他们的想法。
在今天的实验室中，编程意味着在看不见的代码库中输入代码。在21世纪的实验室中，实现模型的程序与模型本身一样具有物理形态。与模型一样，程序可以有任何物理形式，从写在便利贴上的符号到作为墙壁壁画排列的组件，它们都在现实世界中组合，每个人都可以亲自操作。不同的科学领域使用不同的符号和工具包，它们在真实空间中无缝集成。
正如科学家通过沉浸在模型中来培养对分子的直觉一样，他们通过沉浸在程序中来培养计算流畅性。程序无处不在，动态地向所有人展示其内部状态，人们不断地修改它们，重新组合它们，讨论它们，并在公开场合共同构建它们。
模型背后的知识和假设不是隐藏的，也不能隐藏，因为它的程序总是就在那里。每个人都能看到它是如何工作的，每个人都可以尝试替代方案。这是科学的核心精神，它不仅适用于计算模型，还适用于计算工具，甚至是计算基础设施本身。
在今天的实验室中，科学家依赖于应用程序和操作系统 --- --- 来自软件开发者的大规模分发产品。即使是开源的，它们的内部对大多数科学家来说也是不可见的、不灵活的、复杂得令人望而生畏的，实际上无法修改。使用一个应用程序很少能学到其中包含的知识。相反，它成为一个陷阱，阻止用户超越应用程序的假设。
科学关注的是未知和未解决的问题，每个问题都是独特的。大规模生产的工具是不合适的。在21世纪的实验室中，学习一个工具意味着学习它是如何工作的，并立即有能力修改它，重新组合它，或将其知识应用到其他地方。
工具包像任何科学实践一样演变，科学家提出想法，其他人自由采用或适应它们。每个实验室都积累了自己独特的物理计算工具集。这包括实现计算基础设施本身的工具包。每个实验室都是自己的”操作系统”。
作为交流的计算 {#242f .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“242f”}
在今天的实验室中，人们相互交谈。在21世纪的实验室中，人们仍然相互交谈，但他们在交谈时会同时描绘动态模型。
以思维的速度，他们模糊的、无形的想法变成了具体的草稿程序，融入已知的事实和数据，其含义立即可见且可探索。他们提出模型，用模型辩论，驳斥模型，完善模型。对话扩散开来，填满他们周围的空间，使他们沉浸在共同的想象中。
因为计算无处不在，以模型为驱动的对话可以在最相关的环境中进行 --- --- 湿实验室、机械车间、仪器旁 --- --- 在那里，周围现成的真实世界材料和数据可以轻松地融入模型中。
今天，跨学科合作常常类似于外包，合作者分开工作，在不学习彼此知识的情况下组合各自的部分。我们认为，突破性进展需要跨多个领域的深入知识，而过度专业化会导致停滞。
在21世纪的实验室中，科学过程的每个阶段 --- --- 设计实验、进行实验、分析数据 --- --- 都像木工车间或厨房一样具有内在的共同性。合作者们并肩在可见、可触摸的模型上工作，并获得彼此的专业知识。即使是周边的人也能了解正在发生的事情，并随时加入合作。知识自然地传播给所有在场的人。
今天，演示是幻灯片，出版物是论文。21世纪的演示是对动态模型沉浸式环境的引导性游览。观众探索模型，亲自检查数据，甚至重构模型。他们尝试替代方案，挑战假设，甚至可能做出自己的发现。
出版物也大致相同，只是一群读者将环境下载到他们自己的计算空间中进行自导性游览。也许，当他们看到今天的论文时，他们会惊叹于有人曾经能够仅仅通过阅读文字就掌握如此无形的概念。 ::: ::: :::
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首个21世纪科学实验室将是一个分子创客空间 {#f6e1 .graf .graf—h3 .graf—leading name=“f6e1”}
创造”另一个世界” {#b0a8 .graf .graf—h4 .graf-after—h3 name=“b0a8”}
我们所描述的21世纪科学不仅仅是技术。人们工作的方式、思维的方式和交流的方式都发生了根本性的变化。界面具有变革性，因为它改变了人们。这种界面不能在真空中发明。从某种意义上说，它根本无法被”发明” --- --- 它必须成长，与一群被改变的人共同进化。
图形用户界面是在道格·恩格尔巴特和艾伦·凯周围极为特殊的研究实验室中发展起来的，这些实验室本身就是实验。这些实验室的成员负责重新发明他们自己工作的整体环境，发展出一套与外界截然不同的尖端工具和实践。这些群体实际上将自己带到了”另一个世界”，新的界面正是从这个新世界的需求中经过多年演变而来的。
我们所知的最佳例子，包括我们自己的Dynamicland，都来源于这样的”其他世界”。相反地，曾经有许多尝试在工业或纯研究中发明新界面的努力，这些努力与任何活跃的实践社区脱节，结果大多是无效或胎死腹中的。我们需要做那些真正有效的事情。
要创造21世纪的科学，我们必须创造一个文化和技术将共同进化的”另一个世界”，并仔细设计这个环境，使其产生必要的特征：
- [我们希望改变尖端科学的实践，因此这必须是一个真正进行尖端科学的地方。]{#f78d}
- [我们希望这个平台在许多领域普遍适用，而不是单一专业，因此必须有各种各样的尖端科学。]{#690a}
- [一个主要焦点是跨学科交流，因此必须有许多合作伙伴整合他们多样的知识和材料。]{#f7d9}
- [我们希望已有自己实验室和实践的成熟科学家参与其中，因此必须有一种方式让他们访问我们的”另一个世界”并立即获得好处，然后回到他们自己的世界。]{#6edc}
- [为了迅速发展这个平台，必须有快速的探索、设计、实验和分析的反馈循环。]{#88ba}
分子创客空间 {#d900 .graf .graf—h4 .graf-after—li name=“d900”}
根据这些标准，我们的第一个”另一个世界”将是一个分子创客空间。来自广泛领域的科学家将进行短期驻留，以便在跨学科项目上相互合作。
在分子层面，这些合作将由最有前途的分子”集成技术”之一 --- --- DNA折纸提供支持。这是一种使用标准工作台设备组装完全定制的纳米结构的技术，可以整合来自生物学、化学、电子学等领域的精确放置的配体。其简单性和多功能性使其成为将来自不同领域的人们聚集在一起进行项目的自然基质。
在计算层面，这些合作将由Dynamicland开发的下一代计算系统Realtalk提供支持，用于物理对象的集体计算。
因此，合作者将学习使用尖端分子技术在纳米尺度上快速整合他们的材料，并在尖端计算环境中在宏观尺度上快速整合他们的想法和知识。我们期望这一提议对那些准备塑造21世纪科学的先锋们具有吸引力。
由于访问者最初对分子和计算工具和实践都不熟悉，因此这些合作将由实验室的工作人员和更大的社区大力协助。
虽然我们期望这些合作能产生有价值的成果，但其更深层的目的是为平台的发展提供背景。实验室工作人员的主要研究将是在元层面上 --- --- 不断改进计算环境、分子技术及其周围的文化实践，以培育一种更加显而易见、具体的21世纪科学研究方式。
因为一个繁荣的社区对这个项目至关重要，分子创客空间还将作为全球分子”社区中心”，举办研讨会、工作坊、夏令营和其他活动 --- --- 所有这些都将在集体计算环境中进行。
将有络绎不绝的访客来此体验21世纪的科学生活。有些人会留下来合作，有些人会永远留下来，还有许多人会以某种形式将这些想法带回家。正是这个社区最终将把21世纪的科学带入日常实践。
1.定向 {#8637 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“8637”}
一位细胞生物学家、电气工程师和纳米科学家已经来到创客空间，准备合作研发一种用于研究细胞行为的新型生物芯片。他们对这次合作的潜力感到兴奋，但同时也有些迷茫，因为他们对彼此领域的了解很少，也不清楚具体的可能性。为了建立一个共享的背景，他们决定制作一个动态的时间轴来记录他们各自领域的发展历史。在交流的过程中，他们将主题名称手写在卡片上，信息在桌子上铺展开来 --- --- 包括百科全书条目、图像、视频、出版物。他们将这些信息片段组装成一个活生生的壁画，做笔记，寻找联系，发展出一种共同的语言。
借助这个共同的历史背景，三位研究人员开始介绍各自领域的基础知识。他们不是通过幻灯片，而是通过每个人都能亲自动手操作的真实动态模型。他们聚集在一个动态的细胞膜模型周围，生物学家在模拟中指出她最喜欢的机制。工程师注意到一种可能通过自相关检测到的信号模式，并通过指导其他人构建信号处理电路来演示这一技术。纳米科学家想到了一种可以激发这种信号的结构，并通过能够在每个人手中”活”起来的模型展示了DNA的结构特性。研究人员发现，他们的领域不仅有很多相互学习的空间，而且比他们意识到的更有共同之处。
他们一直工作到深夜，三位研究人员还在玩弄彼此的模型，寻找联系，并在对话中重新编程，以模拟突发的想法。在这个细胞和分子如此生动真实的空间里，似乎一切皆有可能。他们终于制定出一个生物芯片的计划，这是他们之前无法想象的。他们迫不及待地想开始。
2.建模 {#c0ab .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“c0ab”}
这三位研究人员有了一个计划，但这只是他们脑海中的一个模糊影像，进一步的交流显示，他们每个人想到的都不太一样。为了步调一致，他们设立了一个空间来构建一个完整的系统模拟。
他们拖来各自领域的计算工具包，并在大海报上安排程序卡片。生物学家在她修改过的细胞系中绘制基因电路，工程师则绘制用于传感和数据处理的电路等等。由于这些电路的模拟行为在绘制时立即可见，每个人都可以动手尝试替代方案，感受电路的工作原理。
这些组件以不同的符号表示，并由不同的程序模拟，但它们全部汇集在一张中央桌子上，在那里模拟的细胞与模拟的生物芯片进行互动。每次他们让某个组件”活”起来，原型变得更加逼真时，大家都会欢呼。
在深入探索他们的模型时，研究人员倒回和快进模拟，揭示轨迹，在各种参数范围内叠加轨迹，并逐渐建立起对可能性空间的清晰认识。
他们的模型虽然粗糙，但数量级是正确的，很快就显而易见，他们最初的想法是行不通的。然而，没有人感到失望；他们为能在设计和测试真实设备的漫长过程之前就发现误解而感到兴奋。更何况，现在出现了许多更好的想法。他们选择了一个有前景的，准备设计一个芯片。
3.设计 {#5aec .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“5aec”}
三位研究人员开始为他们的生物芯片基底设计 DNA 折纸纳米结构。当他们将模块拼接在一起构建比例模型时，实时模拟展示了他们设计的机械特性。生物学家和工程师以前从未接触过 DNA，但他们发现，通过手中的模型反应，他们很快就培养出了直观的感觉。三个人边聊边一起构建，纳米科学家展示他最喜欢的图案，其他人兴奋地指出他们的发现。
为了详细探测和修改他们的设计，他们从工具墙上拿来一些计算手动工具。其中一个工具几乎满足他们的需求；生物学家用笔在其上编写程序以进行修改。
工程师有一些颗粒模拟的经验，但这些模拟中有些地方让她感到陌生。物理模型在附近的海报上运行，三个人开始对其进行拆解。在重新排列力的过程中，工程师对她一直在考虑的微机电系统（MEMS）项目有了一些想法。
生物学家需要一种新型模块来结合她的配体。在另一张桌子上，他们安排了模块的程序，并尝试结合模型。整个模块套件都是在这张桌子上逐步制作完成的。在他们身后的架子上，还有其他实现其他纳米架构的套件。纳米科学家建议采用混合架构，并将第二个套件散落在桌子上。
随着他们的设计逐渐成型，他们密切关注实时生成的湿实验室协议，该协议结合了实验室的现有库存和仪器可用性。不久将是制造的时刻。
4.制造 {#ab2f .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“ab2f”}
当研究人员把他们的设计带入湿实验室时，整个房间的灯光亮起，按照该协议进行配置。一个冰箱示意工程师取出一管支架 DNA，这个试管展开了一个关于该样品如何制造和使用的历史记录。工程师好奇地翻阅了该样品以往的一些实验，注意到了一些不寻常的用途。
当研究人员开始一起使用移液器时，生物学家说道，这感觉像是和朋友一起烘焙。每个试管上方都有实时可视化的分子图；每种试剂和每次反应都清晰可见。之前，分子总是让人觉得像是模糊的抽象概念。在这里，随着研究人员移动液体，他们有一种奇妙的感觉，仿佛是在触摸分子本身。
另一种奇妙的感觉是仿佛在编程分子本身。纳米科学家建议尝试一系列的变体，并且他们一起安排了一个可以编译为3D打印微流体的程序。在他们的设备运行时观看实时可视化，工程师发现了一个错误，并手动修补了它。与此同时，他们的协议程序注意到了这一偏差，并相应地更新了房间设置。
工程师在实验室笔记本上绘制了一个温度梯度，并在热循环仪运行时观看实时模拟。该模拟基于最新的 DNA 折纸折叠模型，但最近纳米科学家注意到结果与模型不符。他把异常数据储存在热循环仪上方的便利贴上，模型的作者稍后会过来讨论。
与此同时，生物学家想做一个光密度测量，但没有可用的仪器。研究人员从架子上拿下几个装有机械零件和传感器的盒子，在桌子上安排程序，并即兴制作了一个临时装置。通过使用相同的计算工具，他们不仅构建了模型，还建立了一个真实的设备。
5.分析 {#a9e6 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“a9e6”}
与所有仪器一样，显微镜也被集成到实验室的计算环境中，许多人乐于为其构建自己的物理接口。研究人员尝试了一种受欢迎的方法，通过物理调整一个微缩模型来配置显微镜的参数，同时可视化展示了电子束的行为。工程师以前使用过扫描电子显微镜（SEM）；他们觉得这些设备复杂而神秘，像个复杂而神秘的黑箱。但在这里，仅仅通过配置显微镜，她便了解了它的工作原理，从里到外。这台显微镜多年来经历了许多不寻常的用途和定制改装，都是因为人们对它的熟悉而敢于尝试。
研究人员把他们的初步筛选程序贴出来，显微镜开始扫描。因为这个程序是根据他们的设计生成的，所以它知道要寻找什么，并自动寻找感兴趣的区域以捕捉更高细节。
地板亮起灯光，研究人员被带入纳米尺度。他们已经构建了模型并研究了模拟，但没有什么能让他们准备好亲身站在真实分子中间的震撼体验，与它们在相同的尺度上互动。他们手持互动地图，通过幂次缩放海报进行导航，在显微照片中穿梭，彼此呼喊着发现，在关键发现处放置标记。
使用纳米卷尺，纳米科学家检查粒子的大小和距离。生物学家和工程师围绕一簇粒子建立了一个阵地，利用地板上的卡片构建识别程序。所有的识别器共同引导显微镜的搜索路径，当粒子被发现并以高分辨率捕捉时，地图亮起。
研究人员在地板上构建他们的分析程序，躺在他们正在分析的数据中，叠加可视化。他们的分子成为亲密的伙伴。在接下来的日子里，研究人员发现自己在显微镜内享受午餐，甚至在晚上邀请朋友们来放松并探索纳米世界。
6.演示 {#84d0 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“84d0”}
经过多次建模、设计、制造和分析生物芯片，研究人员发现了一种新的细胞行为，这为癌症治疗提供了一种新思路。为了让同行能够在这一突破上继续研究，他们组织了一场研讨会。
研讨会以一场步行导览开始，展示动态模型，通过展示和讲述来重现研究历程，将观众沉浸在数据和证据中，激发他们对发现的热情。然而，仅仅让观众欣赏工作是不够的，他们必须深入理解才能继续研究。因此，在初步参观结束后，真正的探索开始了。
观众分成若干小组，每组打开他们的工具箱。箱子里装有构建生物芯片模型所需的组件和工具。生物学家、工程师和纳米科学家各自领导一个小组 --- --- 到现在，他们已经对彼此的领域足够熟悉，可以指导整个活动。
小组成员通过动态”棋盘游戏”互动，在模拟中重现研究项目的各个环节 --- --- 构建细胞电路、DNA折纸、信号处理网络；分析与迭代；面对并解决相同的挑战。虽然他们不理解每个细节，但随着他们操作动态模型，一种无言的直觉在他们手中形成。当游戏达到高潮时，小组成员感到振奋，仿佛在短短几小时内获得了多年的经验。
现在是自由探索时间。每个人都是某个领域的专家，他们从各自的视角投入模型，与新朋友一起探索新想法。随着他们提出令人信服的变体，他们将动态快照贴在墙上，并兴奋地向他人展示。有些参与者甚至带来了自己的细胞，并在真正的生物芯片上进行尝试。在这种混乱中，几十个有前景的合作在场地内萌发。
每个人都带着一个工具箱回家。稍后，在他自己的实验室里，一位参与者召集同事，打开盒子。当他们开始探索时，其中一人说道：“这给了我一个项目的想法…” ::: ::: :::
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先前的工作：Realtalk {#c604 .graf .graf—h3 .graf—leading name=“c604”}
一个用于群体计算的操作系统 {#0503 .graf .graf—h4 .graf-after—h3 name=“0503”}
Realtalk是本场景中描述的计算环境的现实基础，由Dynamicland基金会及其社区在过去十年间创建。场景中描述的大多数计算功能已经存在于Realtalk中，或有可能在几年内实现。在Realtalk中，天花板上的摄像头可以识别普通的物理对象 --- --- 索引卡、书籍、棋盘游戏棋子、3D打印模型 --- --- 并通过投影仪为它们提供可视化显示。通过这种方式，整个建筑变成了一台计算机。人们可以在真实空间中一起工作，每个人都可以动手操作桌面上的实际计算对象，同时墙上会显示数据。
计算活动和工具是由用户自行创建的。程序本身就是物理对象，从而支持多种创作风格，从编写代码、空间排列对象到绘制特定领域的手写符号。人们通过沉浸式学习编程 --- --- 程序无处不在，每个人都在公开环境中处理程序，其他人可以观察并参与其中。
计算对象通过在空间中发布可读信息进行通信 --- --- “我在实验室的第3号工作台上”，“我指向一张地图” --- --- 任何其他对象都可以注意到并对此作出反应。这种模型的简单性和可见性使人们能够理解正在发生的事情，并可以拆解任何东西以扩展它。甚至操作系统本身也是一组紧凑且可访问的物理对象，任何人都可以随时实时编辑。
在Dynamicland，数千人使用Realtalk构建了数百个项目，涵盖从统计学到数字合成到诗歌等主题。Realtalk的网络功能使得项目可以在地点之间实体转移，或者通过互联网远程复制，为全球日益增长的群体计算网络奠定了基础。 ::: ::: :::
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先前的工作:生物技术原型 {#e4d9 .graf .graf—h3 .graf—leading name=“e4d9”}
科学实验室中的真实对话 {#9207 .graf .graf—h4 .graf-after—h3 name=“9207”}
2022年,我们在道格拉斯实验室安装了Realtalk,并开始原型设计一个结合物理性、社交互动、实时计算模型和普遍可编程性的生物分子设计环境。尽管我们只创建了少量工具,但它们为社群计算所实现的科学协作和发现提供了令人兴奋的一瞥。
通过利用增强了实时模拟的物理模型,我们可以轻松直观地设计和操纵分子复合物。计算模型在设计过程中提供即时反馈,促进了一致的共享心智模型,并催化了生动而富有成效的讨论。即使是没有先前经验的访客也能在几分钟内快速理解并生成新的DNA和蛋白质结构。
当我们用计算光为湿实验室注入生命力时,“用任何东西计算”的变革潜力变得显而易见。我们的模型、模拟和设计工具与实验室的科学工具、试剂或仪器之间没有任何障碍。我们建立了一个逐步导航系统来执行实验方案。台面指令提示实验者收集必要的培养皿、试管架、试管和试剂,并建议如何排列它们。投影线精确显示每一步需要吸取什么、在哪里吸取以及吸取多少。使用激光笔,我们可以指向任何指令或物体来识别试剂,显示有关它们的信息,并指出它们在实验室中的物理位置以及在哪里订购更多。
整个原型工具集的实现以一小组海报的形式实体呈现,可以随时检查和实时编辑。我们将此与我们广泛使用的开源工具Cadnano进行了对比,后者的代码几乎从未被其用户检查或修改过。
我们的分子创客空间场景直接建立在我们从这次原型设计经验中学到的知识之上。 ::: ::: :::
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先前的工作：Dynamicland {#13d2 .graf .graf—h3 .graf—leading name=“13d2”}
一个社区驱动的公共计算实验室 {#9982 .graf .graf—h4 .graf-after—h3 name=“9982”}
我们在加利福尼亚州奥克兰市中心创立了Dynamicland社区空间，旨在与实践社区直接合作，建立我们对公共计算的愿景。通过Realtalk的计算光照亮墙壁和桌面，数百人可以同时合作创建和探索有形的动态模型。从2017年到2020年，我们接待并教导了数千名访客，活动形式包括公共社区活动、多周驻地项目、密集工作坊以及班级实地考察。
我们从数十位当地艺术家、工程师、教育工作者和社区组织者中组建了Dynamicland核心社区。他们从我们这里学习Realtalk，相互教导，并用他们热衷的话题的有形模型填满了这个空间。
Dynamicland的设计目的是给予社区在系统内的完全自主权。工具墙收集了用于操作和编辑动态模型的有用设备，社区成员逐渐熟悉这些工具，就像木工对木工车间一样熟悉。教程展览区有动态书籍，教授系统的不同方面 --- --- 图形、声音、空间关系 --- --- 社区成员日常修改操作系统本身是很常见的事，这个操作系统存在于一组发光的白板上。在动态剧场中，演示会以跨越整个房间的动态时间线进行，观众可以直接将活动程序实体放入演示中。
在某一天，你可能会发现一位社区成员在一张桌子上构建棱镜光模拟，而附近的一群人则在探索不同音乐音阶之间的和谐关系。一个动态的社会和经济数据图表连接到一个动态地图，该地图又连接到一个实时卫星反馈，追踪野火蔓延并预测空气质量。社区创作和这样的连接不断发生。
我们预计分子创客空间社区的感觉会非常类似于此。 ::: ::: :::
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先前的工作：BIOMOD {#1a90 .graf .graf—h3 .graf—leading name=“1a90”}
一个学生生物分子设计社区 {#cd3f .graf .graf—h4 .graf-after—h3 name=“cd3f”}
道格拉斯博士创立并组织了BIOMOD，这是一个全球性设计竞赛，旨在为大学生提供新的机会，让他们获得尖端纳米技术研究的实践经验。
BIOMOD的形式类似于国际基因工程机器竞赛（iGEM），后者是其灵感来源。然而，BIOMOD鼓励学生探索生物分子纳米技术的世界。
本科生参与者与其所在机构的一位教师导师合作，学习如何编程DNA、RNA和蛋白质，使它们自组装成纳米机器和设备。学生必须在暑期设计、规划和执行项目，然后在秋季前往年度集会展示他们的工作。一个由教师组成的评审团对每个项目进行评分并提供反馈。得分最高的团队将获得奖项和奖品。
自2011年以来，来自15个不同国家的1600多名本科生、研究生和教师导师参与了这项活动。
2015年，道格拉斯博士在加利福尼亚州注册成立了BIOMOD基金会，这是一个独立的501(c)3公益法人，目前他担任董事会主席。道格拉斯博士已经筹集了超过30万美元的企业赞助和联邦拨款，用于支持学生的旅行、住宿和餐饮费用，以举办这项活动。 ::: ::: :::
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长期愿景 {#bc3e .graf .graf—h3 .graf—leading name=“bc3e”}
1969年，初生的ARPANET的前两个节点上线。到1985年，ARPANET已经演变成互联网，拥有2000个节点，从小型桌面机器到NSFnet的超级计算机。到1999年，互联网已经遍布整个地球，拥有数亿个节点，触及人类生活的方方面面。
2029年，第二个动态实验室将上线，形成新的动态知识网络的前两个节点。这第二个站点将继承第一个实验室的文化，通过继承一些已经完全精通动态媒介的数十名研究人员，并将以第一个站点图书馆中积累的数千个动态模型作为种子。
这个不断增长的机构网络，以及它们为人类与知识的关系带来的变革，将是我们项目的持久成就。这个提案中的实践将首先传播到同行实验室，然后是大学，在未来几十年内，将进入大多数人类努力的领域，就像之前的写作和互联网一样。
特别重要的是这些实践向公众的传播。通过社区健康中心、学校和公共图书馆等场所，公众将学习与知识和彼此互动的新方式 --- --- 这是朝着我们普及科学能力目标的第一步。
动态未来的愿景 {#3467 .graf .graf—h4 .graf-after—p name=“3467”}
在未来，医生可能会借助动态模型帮助患者理解他们心脏中发生的变化。通过患者心脏的有形模型，他们挤压特定的动脉，展示这个通道的收缩如何导致这块肌肉接收不足的氧气，以及这如何导致患者心电图上的这个信号，并与正常窦性心律进行比较。他们向患者展示动脉支架如何缓解这种收缩，然后带着包含患者真实数据的模型到导管室，与外科医生讨论支架理想放置的策略。
在附近的一个公共图书馆，一个社区聚集在一起，试图理解当地的营养健康缺失问题。通过讨论，他们追溯到根本原因是周围干旱条件导致的新鲜农产品短缺。他们改编了邻近城镇的农业模型，迅速制作了社区的地形图，以找到一系列社区花园的最佳位置，从动态卡片目录中选择当地植物组合以提供所需的营养，并根据居民的卡路里需求确定面积。
当模拟显示这些花园的用水可能会给已经紧张的市政供水系统增加太多负担时，一本关于雨水收集系统的动态书籍展示了可能的解决方案 --- --- 他们在历史降雨模式叠加在他们社区的基础上，确定了所需的水收集表面积和蓄水池容量，并将其添加到他们的模型中。
一位在场的当地土壤化学家教授了土壤分析，在复习了植物生物化学之后，他们设计了一种理想的植物组合，以恢复土壤氮水平，实现最佳生长。他们意识到还没有人记录过他们所在USDA生长区的这种特定种植模式，于是将这个设计贡献回图书馆，供面临类似条件的其他人使用。
在未来几十年里，我们与健康、技术、生态和社会的关系必须彻底重建 --- --- 必须发明新形式的生态知识、技术和基础设施，使之适应当地环境，用丰富的材料制造，并由服务的社区管理。为了实现这一点，人类几个世纪来辛苦获得的知识 --- --- 化学、生物学、物理学、数学、电子学、模拟、生态学、社会学、系统 --- --- 必须变得可访问，不仅是为了普及素养，更是为了普及能力。建立在庞大而多样的动态人类知识体系的跨学科洞见之上，数十亿科学家将合作建设一个不仅可持续，而且繁荣的世界。
Communal computing for 21st-century science ::: ::: :::