Gearbox und MMOS entwickeln mithilfe von AWS ein Minispiel, das der wissenschaftlichen Forschung hilft

Normalerweise lassen sich Spieler auf ein Videospiel ein, um in ihrer Freizeit abzuschalten, sich mit Freunden zu treffen und der Realität zu entfliehen. Doch die Spieler des beliebten Games Borderlands 3 können jetzt für eine reale gute Sache spielen. Mit dem, was sie zum Vergnügen spielen, helfen sie Wissenschaftlern bei der lebenswichtigen Erforschung des menschlichen Körpers.

Durch das Spiel im Spiel, Borderlands Science genannt, können die Spieler an der Kartierung des Mikrobioms des menschlichen Darms mitwirken. Das Spiel ist das Ergebnis einer internationalen Partnerschaft zwischen dem Spieleentwickler Gearbox Software (Gearbox) und Massively Multiplayer Online Science (MMOS) sowie von Forschern und Wissenschaftlern der McGill University und der Microsetta Initiative (TMI) an der San Diego School of Medicine der University of California. TMI betreibt die weltweit größte frei zugängliche Referenzdatenbank für das Mikrobiom des menschlichen Darms und hat die DNA von über 25 000 Proben von rund 20 000 Teilnehmern sequenziert. Die McGill University entwickelte die Bioinformatik, um die Analyse der entsprechenden Daten durch Rätsel und Lösungen zu verbessern. TMI kann diese Technologie anwenden und nach Abschluss der Analyse die Ergebnisse für die biomedizinische Forschung nutzen. Die McGill University benötigte jedoch Hilfe, um die riesigen Datenmengen zu ordnen. Die McGill University und das Unternehmen MMOS, das sich auf die Integration von Citizen-Science-Projekten in Videospiele konzentriert, sahen eine einzigartige Chance zur Entwicklung eines Spiels, das die Stärken von Menschen und Computern vereint, um die wissenschaftliche Forschung voranzutreiben.

„Menschen verfügen über außergewöhnlich hochentwickelte Fähigkeiten zur Mustererkennung“, sagt Attila Szantner, CEO und Mitbegründer von MMOS. „Mit Citizen Science sollen diese Fähigkeiten mit den extrem schnellen Rechenkapazitäten von Computern und Machine Learning (ML) vereint werden, um traditionell rechenintensive Probleme zu lösen. Diese Kombination liefert extrem wertvolle Daten für die wissenschaftliche Forschung und bietet eine einzigartige Gelegenheit, Communitys für die Wissenschaft zu gewinnen, die mit herkömmlichen Kommunikationsmitteln nur schwer zu erreichen sind. Da Citizen Science auf eine große Anzahl von Teilnehmern angewiesen und das Projekt selbst in einer anspruchsvollen Echtzeit-Spielumgebung angesiedelt ist, sind Cloud-Computing-Ressourcen für unsere Services am besten geeignet.“

MMOS hat sich mit dem renommierten Spieleentwickler Gearbox zusammengetan, dessen Borderlands-Reihe viele Millionen Anhänger hat, um das Videospiel in die Tat umzusetzen. Mithilfe verschiedener Angebote von Amazon Web Services (AWS) haben Gearbox und MMOS Borderlands Science gemeinsam entwickelt. Dabei werden die per Crowdsourcing gewonnenen Fähigkeiten der Spieler zur Kartierung des Mikrobioms des menschlichen Darms sowie zur Erfassung von Daten für das Training von ML-Algorithmen genutzt, um so den Sequenzabgleich zu verbessern.

Citizen Science – die Beteiligung normaler Bürger an wissenschaftlicher Forschung – ist kein neues Konzept. Doch dessen Anwendung hat mit der Verbreitung des Internets einen enormen Schub erfahren. MMOS wurde gegründet, um die leistungsstarke Kombination von Citizen Science und Videospielen zu nutzen und die entsprechenden technischen Lösungen zu entwickeln. „Vor fünf Jahren hatten wir die Idee, wissenschaftliche Mikroaufgaben nahtlos in AAA-Videospiele zu integrieren – mit passender Grafik, in die Story integriert und mit den Belohnungssystemen verbunden“, so Szantner. „Spiele sind insofern einzigartig, als sie eine große Community von Spielern haben, die motiviert sind, Aufgaben in einem Game zu erledigen. Wir wollten einen kleinen Teil der Unmenge an Zeit, die wir in Spielen verbringen, nutzen, um damit auch Probleme im wirklichen Leben zu lösen. Zur Umsetzung brauchen wir Partner aus der Spielebranche. Beim Projekt zum Darm-Mikrobiom haben die genialen Spieledesigner von Gearbox mit Unterstützung der McGill University das wissenschaftliche Problem in ein packendes Minispiel für die Spieler-Community verwandelt.“

Gearbox hat als Spieleentwickler wiederholt kommerzielle Erfolge erzielt und immer wieder gute Kritiken erhalten. Borderlands 3, das im September 2019 herauskam, hat sich mehr als 10 Millionen Mal verkauft und gehörte zu den fünf meistverkauften Spielen des Jahres 2019. Als Sébastien Caisse – Co-Studioleiter im Gearbox Studio Quebec, der außerdem einen Doktortitel in strategischem Management besitzt – von einer möglichen Citizen-Science-Initiative mit der McGill University erfuhr, fiel die Entscheidung nicht schwer. „Die Idee hat mich inspiriert“, sagt Caisse. „Ich liebe Wissenschaft und mir liegt viel an wissenschaftlicher Bildung und an der Mitwirkung der Menschen.“

Gemeinsam nutzten Gearbox und MMOS AWS, um Daten aus einem Minispiel in Borderlands 3 zu verarbeiten, mit dessen Hilfe die Spieler die Daten in der riesigen Datenbank von TMI genauer zuordnen können, als es ein einzelnes Computerprogramm könnte. „Angesichts der zu erwartenden Spieleraktivitäten, der zu verarbeitenden Datenmenge und unseres geringen Personalbestands hatten wir keine andere Möglichkeit, als Citizen Science über Cloud Computing auszuführen“, sagt Szantner.

Der Gearbox-Stack befand sich bereits vollständig in AWS, was dem Unternehmen einen nahtlosen Einstieg in diese neue Aufgabe ermöglichte. Jonathan Moreau, Lead Server Programmer bei Gearbox, erklärt: „Als wir die ursprüngliche Projektanfrage bekamen, war es aus der Serverperspektive naheliegend, weiterhin unsere Erfahrung und die Servicequalität von AWS zu nutzen.“ Szantner fügt hinzu, dass MMOS, ein kleines Unternehmen, ebenfalls AWS nutzt und so in der Lage ist, in Zusammenarbeit mit großen Spieleentwicklern Millionen von Spielern zu bedienen. „Durch den Zugang zur globalen Cloud-Computing-Plattform von AWS erreichen wir das gleiche Serviceniveau, das Spielestudios den Spielern bieten. Dank AWS können wir ein hohes Maß an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit gewährleisten. Auf diese Weise lassen sich die technischen Möglichkeiten des Cloud Computing in unserem Fall in einen geschäftlichen Nutzen umsetzen“, so Szantner.

Letztlich hat die Vertrautheit der beiden Unternehmen mit diversen AWS-Services die Zusammenarbeit zwischen Gearbox und MMOS erheblich vereinfacht. „Da wir AWS nutzen, wissen wir bei Gearbox, welches Serviceniveau wir erwarten können. AWS hat die Art und Weise unserer Interaktion miteinander verändert“, sagt Moreau. Diese gemeinsame Investition in AWS hat dazu beigetragen, die verschiedenen Teile des Projekts unter einen Hut zu bringen. „Es ist ein Instrument des Vertrauens“, sagt er. „Beim Bau dieser Brücken zwischen allen Beteiligten an einem Projekt wie diesem ist Vertrauen von zentraler Bedeutung. Und AWS spielte dabei eine wichtige Rolle.“

Gearbox besaß bereits eine Pipeline zur Einführung neuer Features in die eigene Plattform, die vollständig in AWS ausgeführt wird. Dazu gehört Amazon DynamoDB, eine Schlüssel-Wert- und Dokumentdatenbank, die für beliebig große Datenmengen eine Leistung im einstelligen Millisekundenbereich bereitstellt. Darüber hinaus nutzt Gearbox Amazon Elastic Container Registry (Amazon ECR) zur automatischen Skalierung und Verwaltung sowie AWS Elastic Beanstalk, einen benutzerfreundlichen Service für die Bereitstellung und Skalierung von Webanwendungen und -services. Locust, ein Open-Source-Tool für Lasttests, wird in AWS Elastic Beanstalk ausgeführt, um die verteilte Lastengenerierung und -erprobung zu ermöglichen. Damit unterstützt es Gearbox bei der Erstellung von Tests, die reale Szenarien simulieren. MMOS verwendet außerdem den Amazon Relational Database Service (Amazon RDS), der die Einrichtung, Ausführung und Skalierung relationaler Datenbanken in der Cloud vereinfacht, zusammen mit Amazon Aurora. Dabei handelt es sich um eine MySQL- und PostgreSQL-kompatible relationale Datenbank, die für die Cloud ausgelegt ist. „Man beginnt mit der Nutzung von AWS und damit wächst der Appetit“, so Szantner. „Man entdeckt die vielen Services, sodass sich die einzelnen Puzzleteile zusammenfügen.“

Während die Forscher, Wissenschaftler und Programmierer hinter den Kulissen tätig sind, erledigen die Spieler von Borderlands 3 die eigentliche Arbeit. Der Zugriff auf das Minispiel Borderlands Science erfolgt über einen Spielautomaten in Borderlands 3. Das Minispiel erinnert an altmodische pixelige Automatenspiele: Die DNA der Darmmikroben ist jeweils als Kette von Bausteinen in vier verschiedenen Formen und Farben codiert. Die Spieler verbinden diese farbigen Formen, damit Wissenschaftler die Ähnlichkeit zwischen den einzelnen Mikroben leichter einschätzen können. Jedes Mal, wenn jemand die farbigen Bausteinketten zur Lösung des Rätsels verbindet (oder wieder verbindet), wird eine weitere Mikrobe kartiert. Mit der Lösung des Rätsels verdienen die Gamer Spielgeld, das sie im Hauptspiel Borderlands 3 einsetzen können. Auch wenn einige Spieler nur von der Beute angelockt werden, leisten sie doch zugleich einen Beitrag zu einer guten Sache. „Für einige Spieler“, so Caisse, „ist der Beitrag zu einem wissenschaftlichen Projekt ein Wert an sich, der sie dazu bringt, mehr zu spielen. Für sie habe ich großen Respekt.“

Die Datenmenge, die bei diesem Spiel ständig zwischen der Infrastruktur der USC East, der MMOS-Infrastruktur in Irland und dem AWS-Rechenzentrum übertragen wird – bei der Einführung durchschnittlich 600 Anfragen pro Sekunde –, erfordert eine schnelle, effiziente Übertragung. Das AWS-System bietet die entsprechende Leistung. Laut Moreau „hat uns AWS geholfen, solch eine niedrige Latenz zu erreichen. Wir wussten, dass die Zuverlässigkeit des Service und die Geschwindigkeit bzw. die Latenz der Übertragung zwischen den Rechenzentren wirklich sehr gut sein würden.“ Die Gesamtreaktionszeit der Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) liegt zwischen 15 und 50 ms. Außerdem bot AWS die Elastizität, um Borderlands Science ohne größere Schwierigkeiten einzuführen. „Wenn man einen neuen digitalen Online-Service startet, sind die ersten Tage absoluter Wahnsinn“, sagt Szantner. „Die Elastizität von AWS, mit der wir unsere Infrastruktur problemlos um das Zehnfache hochskalieren können, war von unschätzbarem Wert, um die Einführung zu bewältigen.“

Am Tag nach der Einführung hatte Borderlands Science bereits fünf- bis sechsmal mehr Daten gesammelt, als die vorherige Citizen-Science-Initiative mit Hunderttausenden von Spielern in 10 Jahren gesammelt hatte. „Ich hatte noch nie erlebt, dass die Zahlen so durch die Decke schnellen“, sagt Jérôme Waldispühl, Associate Professor für Informatik an der McGill University. „Und meines Erachtens hat niemand aus diesem Fachgebiet je gesehen, dass sich die Zahlen und die Mitwirkung an Citizen Science derartig in die Höhe schießen. Es war wie ein Traum.“ Borderlands Science hat bereits über eine Million aktive Nutzer. Die von ihnen bisher durchgeführten Forschungsarbeiten entsprechen umgerechnet 500 Arbeitsjahren.

Mithilfe der AWS-Services konnten Gearbox und MMOS ein menschliches Rechensystem in Form eines Video-Minispiels entwickeln, das die Billionen von Mikroben im menschlichen Körper erfolgreich kartiert. Anhand der Ergebnisse aus diesem Spiel kann TMI die biomedizinische Forschung vorantreiben. AWS bot die nötige Elastizität, um das Spiel ohne Unterbrechungen einführen zu können, und fungierte sozusagen als Brücke zwischen Gearbox und MMOS. Damit wurde eine einzigartige Partnerschaft zwischen Forschern und Spielern ermöglicht, die Gaming und Citizen Science vereint, um konkrete Ergebnisse zu erzielen. „Nach meiner Überzeugung sind Videospiele heute die komplexeste Kunstform und die fesselndste Form der Unterhaltung“, sagt Szantner. „In den letzten Jahren haben wir gelernt, dass wir als Gesellschaft unbedingt begreifen müssen, wie wir diese wunderbare Ressource nutzen können, um verschiedene Probleme im echten Leben zu lösen.“