游戏化在公共卫生及健康领域的应用 ——公众科学游戏Foldit辅助新药研发

玩家多力量大：
公众科学游戏的诞生

——《世界游戏》（World Game）

20世纪60年代，随着世界人口增速达到顶峰，人口增长带来的社会问题引起了全世界的关注。就在此时，美国哲学家、建筑师及发明家Buckminster Fuller提出了一个“世界游戏（World Game）”构想——基于真实的能源、资源、食物等数据，构建一个大型的模拟战略游戏，让大量公众能够参与进来协同解决世界人口及资源分配问题。

美国哲学家、建筑师及发明家Buckminster Fuller
（图片来源：//www.pbs.org/wnet/americanmasters/r-buckminster-fuller-about-r-buckminster-fuller/599/）

这种通过游戏创造一个大型协作平台来解决真实社会问题的构想，很快便以平行实境游戏（ARG, Alternate Reality Games）的形式在互联网时代得以实现。20世纪90年代末，互联网得到普及应用，大型多人在线游戏（MMORPG）已经能够容纳数百万玩家同时登录游戏。“这些游戏玩家是一个充满希望且相信自己能够改变世界的群体”，著名未来学家、游戏设计师Jane McGonigal研究发现，通过网络连接起来的游戏玩家群体形成了一个巨大的“人力资源库”，通过游戏中的协作，玩家甚至可以解决复杂的现实问题。

由此，Jane McGonigal所在的未来研究所（Institute for the Future）设计了两款平行实境游戏，首次将真实世界的挑战搬上虚拟游戏平台。在《无油世界》（World without Oil，2007）中，1800名玩家共同参与，想象在“没有石油的32周”将如何生存；在《唤醒》（Evoke，2010）中，全球20000多名玩家参与游戏，共同寻找食物短缺、水资源危机等紧迫社会问题的解决方案。未来研究所的尝试可谓初见成效，玩家们在“拯救世界”信念的驱动下，涌现了大量“疯狂却极具创造力”的方案。

游戏《无油世界》官方网站主页 （图片来源：《无油世界》官方网站截图 //writerguy.com/wwo/metaabout.htm）

游戏化对玩家产生的动员力量也引起了各领域科学家们的关注：如果把科学难题设计成游戏谜题，是不是也能够迎刃而解呢？于是，目标更明确、更易上手、更好玩的公民科学游戏（Citizen Science Games）或众包科学游戏（Crowdsourcing Science Games）应运而生。

相比于平行实境游戏，公民科学游戏创建了一个基于大数据的合作游戏空间：所有线上玩家都将在这个持续进行的、具有特定规则和任务的游戏平台中参与科学挑战，包括解谜、识别、给数据贴标签等，从而推动科研进步。目前，从生物学、神经科学、天文学、高能物理学到语言学、艺术史学，都已有成千上万的玩家参与到这些领域的公民科学游戏中。

比如，在EteRNA中，非生物学专业的玩家也能够帮助预测蛋白质的模型；在Eye Wire中，玩家通过简单有趣的操作即可映射神经视网膜通路；在Galaxy Challenge中，玩家能够给星系形态分类；在Higgs Boson Machine Learning Challenge中，玩家能够借助程序算法识别希格斯玻色子。此外，玩家还能够在Metropolitana和 ARTigo给社会语言、艺术作品打标签。

短短几年间，公众科学游戏已经成为了推动全球科研的重要工具，并在更广泛的领域得以应用。科学家们甚至搭建了专门的公众科学游戏发布平台，如Kaggle和Zooniverse，以供科研人员和机构发布游戏并招募志愿玩家。

打开“脑洞”设计蛋白：
Foldit协助新冠病毒“解药”
研发

Foldit是最早也是至今最受欢迎的公众科学游戏。2008年，该游戏由华盛顿大学贝克实验室开发，用于蛋白质结构预测、蛋白质对接和蛋白质设计的研究。当时的开发人员或许不曾料想，这款游戏将在12年后的一场影响全球的疫情中扮演怎样的角色。

Foldit是一款实验性蛋白折叠游戏，允许玩家通过操作蛋白质链，用各种氨基酸自由组装蛋白，最终拼凑出目标蛋白的完整结构。蛋白质的折叠结构会直接影响蛋白质的功能，而折叠蛋白质的自由度很高，以现在计算机的运算能力无法穷尽，因此需要依赖人脑的三维图形匹配的能力优势，高效率找出有用的蛋白质结构。

此次的新冠病毒在其表面显示一种刺突蛋白（Spike Protein），它与人类细胞表面的一种受体蛋白紧密结合。一旦新冠病毒刺突蛋白与人类受体蛋白结合，病毒就可以感染人类细胞并进行复制。由于病毒必须寄生在人体细胞才能生存，所以干扰病毒附着，就是对抗病毒的其中一种方式。

新冠病毒 （图片来源：https://twitter.com/Foldit/status/1233510766336233473）

最近，Foldit上线了一个新谜题《1805b：Coronavirus Spike Protein Binder Design》，邀请全球玩家共同设计一种能与新冠病毒的刺突蛋白结合的蛋白质结构，以此阻断病毒与人类受体的结合，从而阻止病毒感染。在1805b谜题中，玩家能直观地看到新冠病毒刺突蛋白的结合位点。由于侧链正是刺突蛋白与人类受体蛋白相互作用的位点，因此除了结合位点的侧链，主链和大部分侧链被完全冻结。玩家可以设计一种与开放侧链结合的新蛋白质，阻止病毒与人类受体的相互作用。

新冠病毒至今已蔓延192个国家和地区并导致全球范围内37万多人感染、16000余人死亡（数据截至2020年3月24日）。面对严峻的疫情，科学家们正在紧张地寻找特效药和疫苗。以 Foldit 为平台，研究人员会将有价值的游戏结果收集起来，其中最具潜力的设计方案将由华盛顿大学蛋白质设计研究所制造并进行测试。目前，该谜题已有来自全球超过25个团队及860名个人玩家参与，随着玩家人数不断增加，Foldit已经成为了玩家们的抗疫武器。

打破壁垒，提高效率：
精妙的游戏设计助力科研突破

让不具备专业科学知识的玩家参与解决科学家都犯难的问题，看似天方夜谭，而游戏化的手段却恰能将复杂枯燥的难题转化为有趣易懂的游戏挑战。打破科研壁垒，提高研究效率即是公众科学游戏最大的优势。

Deterding认为游戏化（gamification）的本质是“在非游戏情境下使用游戏设计元素”，公众科学游戏通过可视化、即时反馈、榜单、社区等游戏机制的精妙应用促进了科学生产的创新。

首先，通过将科研任务游戏化，以简单有趣的形式吸引全球玩家参与科研项目，大规模的聚集效应提高了科学生产效率。

其次，庞大的玩家群体跨越了专业的科研边界，在受教育程度、思维方式等方面的差异促进了科研工作中新视角的引入。Surowiecki认为大众的智慧（the wisdom of crowds）优于少数专家的智慧，也胜过集体中大部分人的个人表现。而公众科学游戏所建立的开放游戏社区，推动了玩家独立解决方案的提出，也能够将大量公众的智慧成果汇集至游戏平台作为解决方案的参考。

此外，Foldit打破了科学研究的专业壁垒。科研工作者们将问题进行游戏化编码，玩家们通过游戏这一媒介得以进入“科研实验室”，在游戏社区的依托下，科研工作者与社会公众的交流不再受时空的制约。玩家的智慧延伸了科研工作者们的感官，游戏得到的科研成果为玩家带来真实的科研体验，这样的激励为成果的汇集及研究的深入进一步提供养分，从而形成良性循环。

以Foldit为例，游戏最大限度地发挥人类玩家在模式识别上的能力优势，而一些乏味和繁琐的细节则留给计算机来处理，从而大大降低了参与门槛。一方面，Foldit将蛋白质折叠这一专业的生物物理学课题进行了具象化，用图形、色彩等生动形象的画面将复杂的蛋白链结构及操作可视化。

游戏中高度简化的蛋白链模型 （图片来源：https://wwwx.cs.unc.edu/Courses/comp585-s15/Research/citizenscience_585.pdf）

另一方面，对问题进行游戏化定义，并通过由简入繁的新手关卡即可帮助玩家逐渐训练出折叠蛋白的直觉。如在下图第一关中，玩家需要根据提示用鼠标拖动两个侧链的位置，消除病毒，分数达到7700分即可解锁下一关。

Foldit新谜题《1805b：Coronavirus Spike Protein Binder Design》关卡示例 （图片来源：Foldit游戏截图）

其次，Foldit结合了众包科学（crowdsourcing science）与分布式计算（Distributed computing）的思想,借助游戏的反馈、榜单和社区机制，激励玩家高效协作实现突破。每一关卡的游戏分数是最直接的反馈，更高的分数往往激励玩家持续发挥创造力，不断挑战更高的难度。社区内玩家之间能够互相交流、比拼分数，搭建了一个科研创新社区，无论是玩家之间的挑战还是玩家对自我的挑战，游戏分数的每次刷新都意味着科研中针对现实问题的解决方案得到优化。

《1805b：Coronavirus Spike Protein Binder Design》 谜题下分数排行榜 （图片来源：Foldit官方网站截图 https://fold.it/portal/node/2008926）

通过这样的方式，Foldit激励了每一个玩家凭借自己的智慧提交差异化的解决方案。游戏上线以来，便帮助科研团队完成了众多不可能完成的任务。

2010年，论文《Predicting protein structures with a multiplayer online game》登上了顶级科学期刊《Nature》，在作者署名处除了该项目的科研工作者们，还包括“Foldit players”，据统计大约有57000名玩家对该项目作出了贡献。

《Predicting protein structures with a multiplayer online game》作者署名 原文链接：https://www.nature.com/articles/nature09304

2011年，Foldit玩家再次帮助科研人员构建了Mason-Pfizer猴病毒（M-PMV）逆转录病毒蛋白酶的晶体结构，这种蛋白质酶是艾滋病毒在活体细胞中复制和自我增殖的关键，这一成果推动了人类研究艾滋病逆转录酶的晶体结构的研究进程。此前科研工作者们花费了15年的时间解决这一难题，但在Foldit游戏中，逆转录酶的结构在10天内即被玩家们破解，这一研究结果也登上了Nature子刊。据PC magazine的报道，该项目中几乎没有玩家有过生物化学领域的科研工作经验。

结语：
游戏化在公共卫生及
健康领域潜力巨大

除协助研发新冠病毒“解药”的公众科学游戏Foldit外，各式各类的游戏都在此次新冠疫情中发挥其独特的作用。如中国音数协游戏工委在疫情关键期上线的防疫知识和行为养成小游戏《消灭冠状病毒》，运用逻辑解谜、道具获取等寓教于乐的形式，短短40个关卡内即可帮助大众掌握科学防护知识。又如，目前腾讯游戏正在着手研发的一款科普小游戏，能够帮助玩家认识常见的疾病及人体免疫机制。此外，日本任天堂开发的健身体感游戏《健身环大冒险》也成为了非常时期的“居家健身年卡”，配合腿部的配件Ring-Con和健身环，玩家对着客厅电视屏即可伴随游戏环节开启一场运动大冒险。

新西兰国家健康创新协会主任、奥克兰大学公共卫生研究生教育项目主任、腾讯互娱社会价值研究院客座教授Chris Bullen指出，游戏化已经成为鼓励人们关注健康的常用方式，人们通过娱乐的形式接收各种信息，从而实现持续地影响甚至改变健康行为。Chris Bullen认为，游戏及游戏化手段在公共健康领域具有巨大的应用潜力，未来通过学者和游戏开发者的共同努力，将能够制作出“最好”的医疗健康游戏。这些游戏的普及，将能够激励更多人关注并积极地参与到个人及公众健康事业中。