Gearbox e MMOS utilizzano AWS per creare un minigioco che aiuta la ricerca scientifica

Solitamente, i giocatori utilizzano i videogiochi per divertirsi nel tempo libero, interagire con gli amici e staccare dalla quotidianità. Tuttavia, ora gli appassionati del celebre Borderlands 3 possono giocare per supportare una causa concreta: la loro attività ludica all'interno del gioco si trasforma in un importante contributo alla ricerca scientifica nel mondo reale.

Il minigioco incorporato, chiamato Borderlands Science, consente ai giocatori di aiutare a mappare il microbioma intestinale umano. È il risultato di una partnership internazionale tra lo sviluppatore di giochi Gearbox Software (Gearbox) e Massively Multiplayer Online Science (MMOS), affiancati da ricercatori e scienziati della McGill University e di The Microsetta Initiative (TMI) presso la UC San Diego School of Medicine. Il TMI rappresenta il database open-access di riferimento più esteso al mondo per il microbioma intestinale umano: ha sequenziato oltre 25.000 campioni di DNA raccolti da circa 20.000 individui. La McGill University ha sviluppato strumenti di bioinformatica avanzati per ottimizzare l'analisi di questi dati, utilizzando puzzle e soluzioni per facilitare il processo. Il TMI ha la capacità di impiegare questa tecnologia e, una volta completata l'analisi, di avvalersi dei risultati ottenuti a beneficio della ricerca biomedica. Tuttavia, la McGill University necessitava di assistenza per gestire e organizzare l'enorme quantità di dati raccolti. La McGill University e MMOS, entrambi impegnati nell'integrare progetti di citizen science all'interno dei videogiochi, hanno identificato un'opportunità eccezionale di sviluppare un gioco che sfruttasse le capacità complementari di umani e computer per avanzare nella ricerca scientifica.

Attila Szantner, CEO e cofondatore di MMOS, spiega: "Gli esseri umani possiedono capacità di riconoscimento dei pattern eccezionalmente sviluppate. L'obiettivo della citizen science è quello di unire le competenze umane nel riconoscimento di pattern con le elevate capacità di calcolo dei computer e le potenzialità del machine learning (ML) per affrontare problemi tradizionalmente costosi dal punto di vista computazionale. Questa combinazione produce dati inestimabili per la ricerca scientifica e offre un'opportunità unica per la divulgazione presso comunità che risultano meno accessibili tramite i canali tradizionali di comunicazione. Dato che la citizen science richiede la partecipazione di un ampio numero di utenti e il progetto si svolge all'interno di un ambiente di gioco dinamico e in tempo reale, i nostri servizi hanno beneficiato in modo ottimale delle risorse di cloud computing disponibili".

MMOS ha stretto una collaborazione con Gearbox, noto sviluppatore della serie di videogiochi Borderlands, con decine di milioni di appassionati, al fine di contribuire alla realizzazione del videogioco. Attraverso l'impiego di varie soluzioni offerte da Amazon Web Services (AWS), Gearbox e MMOS hanno collaborato allo sviluppo di Borderlands Science, un progetto che sfrutta il crowdsourcing delle abilità dei giocatori per mappare il microbioma intestinale umano. Questo processo consente di raccogliere dati preziosi che vengono poi utilizzati per l'addestramento di algoritmi di ML, con l'obiettivo finale di ottimizzare l'allineamento delle sequenze genetiche.

Il concetto di citizen science, che prevede il coinvolgimento del pubblico generale nella ricerca scientifica, non è recente; tuttavia, l'avvento di Internet ne ha notevolmente potenziato l'implementazione. MMOS è nato con l'obiettivo di unire le forze della citizen science ai videogiochi, sviluppando al contempo le tecnologie di supporto. "Cinque anni fa, ci è venuta l'idea di incorporare micro-compiti scientifici in videogiochi di tipo AAA, creando un'integrazione fluida con le immagini, la narrazione e i sistemi di ricompensa", spiega Szantner. "I videogiochi hanno la caratteristica di raccogliere vaste community di giocatori estremamente motivati a portare a termine le missioni proposte. La nostra idea è nata dalla volontà di sfruttare una parte del tempo di gioco (cumulativamente parliamo di decine di milioni di anni) verso la soluzione di problemi concreti della vita reale. Per rendere possibile questa magia, abbiamo bisogno di partner nell'industria dei videogiochi. Nel caso del progetto sul microbioma intestinale, i geniali game designer di Gearbox, con l'aiuto della McGill University, hanno trasformato il problema scientifico in un'esperienza di minigioco coinvolgente per la community di giocatori."

Gearbox è uno sviluppatore di videogiochi che consegue incessantemente successi commerciali e il plauso della critica. Borderlands 3, pubblicato a settembre 2019, ha venduto più di 10 milioni di copie ed è stato tra i primi cinque videogiochi più venduti del 2019. Quando Sébastien Caisse, co-direttore di Gearbox Studio Quebec e detentore di un dottorato in gestione strategica, è venuto a conoscenza della possibilità di avviare un'iniziativa di citizen science in collaborazione con la McGill University, non ci ha pensato due volte. "L'idea mi ha ispirato", afferma Caisse. "Sono appassionato di scienza e nutro un grande interesse per l'alfabetizzazione scientifica e il coinvolgimento del pubblico."

Insieme, Gearbox e MMOS hanno utilizzato AWS per gestire i dati di un minigioco all'interno di Borderlands 3 in grado di consentire ai giocatori di mappare i dati presenti nel gigantesco database TMI in modo più accurato di quanto potesse fare un singolo programma informatico. "Data l'intensa attività di gioco prevista e l'enorme volume di dati da elaborare, nonché la ridotta dimensione del nostro team, l'unico percorso praticabile era affidare la citizen science al cloud computing", precisa Szantner.

L'infrastruttura tecnologica di Gearbox era già interamente basata su AWS, permettendo così all'azienda di avviare in modo ottimale questa nuova iniziativa. Jonathan Moreau, Lead Server Programmer di Gearbox, spiega: "Quando abbiamo ricevuto la richiesta iniziale di avviare il progetto, per quanto riguarda l'aspetto server, è stata una scelta naturale continuare ad avvalerci della nostra esperienza unita alla qualità del servizio offerto da AWS". Szantner aggiunge: "Dato che anche MMOS, una nano-impresa, fa affidamento su AWS, abbiamo avuto la possibilità di collaborare con grandi aziende di sviluppo di videogiochi e di raggiungere milioni di utenti. Grazie all'accesso alla piattaforma di cloud computing globale offerta da AWS, siamo in grado di offrire lo stesso livello di servizio che le grandi società di game design garantiscono ai propri giocatori. AWS ci consente di offrire livelli elevati di disponibilità, affidabilità e scalabilità. Nel nostro caso è così che le capacità tecnologiche del cloud computing si traducono in valore aziendale", afferma Szantner.

Sostanzialmente, la conoscenza approfondita dei vari servizi AWS da parte delle due aziende ha facilitato notevolmente la collaborazione tra Gearbox e MMOS. "Dato che già utilizza AWS, Gearbox conosce il livello di servizio che può aspettarsi. AWS ha cambiato il modo in cui interagiamo gli uni con gli altri", afferma Moreau. Questo impegno comune su AWS ha giocato un ruolo chiave nel connettere le varie componenti del progetto. "È una sinergia basata sulla fiducia", chiarisce. "Per collegare tra loro tutte le parti interessate coinvolte in un progetto come questo, la fiducia è un aspetto fondamentale. In quest'ottica, AWS è stata la chiave di volta."

Gearbox aveva già predisposto un sistema per integrare nuove funzionalità nella sua piattaforma, interamente basata su AWS e che comprende, tra gli altri servizi, Amazon DynamoDB. Questo database di tipo chiave-valore e documentale assicura prestazioni nell'ordine dei millisecondi a un costo contenuto, indipendentemente dalla scala. Gearbox utilizza anche Amazon Elastic Container Registry (Amazon ECR) per la scalabilità automatica e la gestione insieme ad AWS Elastic Beanstalk, un servizio facile da usare per implementare e dimensionare applicazioni e servizi web. Locust, uno strumento di test di carico open source, funziona su AWS Elastic Beanstalk per consentire la generazione e il test di carichi distribuiti, aiutando Gearbox a creare test che simulano scenari del mondo reale. MMOS utilizza anche Amazon Relational Database Service (Amazon RDS), che semplifica la configurazione, la gestione e il dimensionamento dei database relazionali nel cloud, con Amazon Aurora, un database relazionale compatibile con MySQL e PostgreSQL creato per il cloud. "Cominci a utilizzare AWS e poi l'interesse aumenta", spiega Szantner. "Man mano che esplori tutti i servizi disponibili, i pezzi del puzzle iniziano a incastrarsi."

Mentre ricercatori, scienziati e programmatori lavorano dietro le quinte, i giocatori di Borderlands 3 contribuiscono a dare corpo al progetto. Accedono al minigioco Borderlands Science tramite una macchina arcade all'interno di Borderlands 3. Questo minigioco ricorda i vecchi giochi arcade pixelati: il DNA di ogni microbo intestinale è codificato come una serie di mattoncini di quattro forme e colori diversi. I giocatori collegano queste forme colorate per aiutare gli scienziati a stimare la somiglianza tra i vari microbi. Ogni volta che qualcuno collega (o ricollega) le stringhe colorate per risolvere il puzzle, si passa a mappare un altro microbo. Quando risolvono il puzzle, i giocatori ricevono delle ricompense che possono poi spendere nel gioco principale di Borderlands 3. Sebbene alcuni giocatori siano attratti dal bottino, tutti sanno che stanno anche contribuendo a una causa dal valore più elevato. Come spiega Caisse: "Per alcuni giocatori, contribuire a una giusta causa è di per sé un risultato importante che li spinge a giocare di più. Nutro una forte stima per questi tipi di persone".

La quantità di informazioni che questo gioco trasferisce costantemente (con una media di 600 richieste al secondo al momento del lancio) tra l'infrastruttura USC East, l'infrastruttura MMOS in Irlanda e il data center AWS, richiede uno spostamento dei dati rapido ed efficiente. Il sistema AWS riesce a soddisfare ogni esigenza. Secondo Moreau, "AWS ci ha aiutato a raggiungere una latenza veramente bassa. Sapevamo che l'affidabilità del servizio e la velocità o la latenza di trasferimento tra i data center sarebbero state davvero ottime". Il tempo di risposta totale dell'interfaccia di programmazione dell'applicazione (API) è compreso tra 15 e 50 ms. Inoltre, AWS ha fornito l'elasticità che ha consentito il lancio di Borderlands Science senza grossi intoppi. "Quando si lancia un nuovo servizio digitale online, i primi giorni sono un delirio", afferma Szantner. "L'elasticità offerta da AWS, che ci ha permesso di aumentare verticalmente la nostra infrastruttura di 10 volte senza intoppi, è stata fondamentale per gestire la fase iniziale."

Il giorno dopo il suo lancio, Borderlands Science aveva già raccolto da cinque a sei volte più dati rispetto a quelli raccolti in 10 anni dalla precedente iniziativa di citizen science, con centinaia di migliaia di giocatori. "Non avevo mai assistito a movimenti di numeri di questa portata", afferma Jérôme Waldispühl, professore associato di informatica alla McGill University. "E credo che nessuno nel settore abbia mai osservato numeri e livelli di coinvolgimento crescere così rapidamente nell'ambito della citizen science. È stato come realizzare un sogno". Borderlands Science ha già registrato più di un milione di utenti attivi e, fino ad ora, il lavoro di ricerca completato dagli utenti equivale a 500 anni di lavoro.

Utilizzando i servizi AWS, Gearbox e MMOS sono stati in grado di creare un sistema informatico umano sotto forma di minigioco che aiuta a mappare con successo migliaia di miliardi di microbi nel corpo umano. Il TMI può utilizzare i risultati di questo gioco per far avanzare la ricerca biomedica. AWS ha garantito l'elasticità necessaria per agevolare il lancio del gioco senza interruzioni e ha agito da ponte tra Gearbox e MMOS, facilitando una partnership unica tra ricercatori e giocatori che unisce gioco e citizen science per ottenere risultati concreti. "Ritengo che attualmente i videogiochi siano la forma d'arte più complessa e il mezzo di intrattenimento più coinvolgente", afferma Szantner. "Quello che abbiamo imparato in questi ultimi anni è che per noi, come azienda, è fondamentale capire come utilizzare questa straordinaria risorsa per risolvere diversi problemi nella vita reale."