Hoe kan virtual reality bijdragen aan het onderwijs van de toekomst? Met ruim 27.000 studenten en meer dan 60 gebouwen kun je de TU Delft beschouwen als een prachtige omgeving voor het ontwikkelen en testen van innovaties. Dus was een use case al snel bedacht, toen het Do IoT Fieldlab aan de slag wilde met het toepassen van IoT binnen onderwijs en onderzoek.
Binnen het New Media Centre van de TU Delft richten Jeroen Boots en Luuk Goossen zich op VR (virtual reality) en XR (extended reality). Samen met Tim Kok van samenwerkingspartner Surf onderzochten zij stap voor stap hoe 5G kan bijdragen aan nieuwe toepassingen in het onderwijs. De vraagstelling luidde: hoe kunnen we onderwijs aan 400 studenten geven met behulp van VR? Wat is hiervoor nodig en wat zijn nog struikelblokken?
Luuk: “We hebben vooral heel praktisch gekeken naar wat er in de toekomst nodig is. Eerst hebben we theoretisch onderzocht wat er nodig is. 5G biedt op papier mooie oplossingen. De responsetijd is heel snel. We gaan van tienden van milliseconden naar honderdsten van milliseconden. Ook gaat de bandbreedte tot wel 100 keer omhoog ten opzichte van 4G. Dus je kunt veel meer apparaten tegelijkertijd via een netwerk verbinden. We hebben een eigen 5G testfaciliteit bij het Do IoT Fieldlab, op TU Delft terrein. Dat netwerk kunnen we helemaal inrichten zoals we het willen. Dus je begrijpt, we konden niet wachten om hier ook echt wat mee te gaan doen.”
Korte responstijd en enorme berekeningen
Het onderzoeksteam wilde testen met een applicatie die alle aspecten samenbrengt. Allereerst moet er sprake zijn van interactie tussen – in eerste instantie – twee personen in een virtuele wereld. Daarbij moeten zij iets doen dat extreem nauw luistert qua beweging, tijd en plaats. Het team kwam met een ogenschijnlijk simpele oplossing: een balletje overgooien. In de applicatie moeten de twee mensen elkaar zien en op elkaar inspelen. De minste vertraging of hapering heeft direct effect: je gooit of vang mis. “Dit was het eerste deel van ons experiment. We wisten: als dit lukt, dan voldoen we aan de meeste vereisten voor toekomstig onderwijs”, legt Luuk uit.
Het tweede deel van het experiment betrof de prestaties en de robuustheid van het netwerk, waardoor 5G-toepassingen ook bruikbaar worden bij wetenschappelijk onderzoek. Als voorbeeld geeft Luuk een onderzoek naar zwarte gaten in de ruimte. De huidige processoren in een VR-bril zijn vergelijkbaar met die van een smartphone. Luuk schetst: “Voor krachtige berekeningen in VR-simulaties heb je veel sterkere computers nodig dan wat een bril kan leveren. Nu kun je bijvoorbeeld vier mensen bekabeld aan een computer aansluiten voor de extra rekenkracht. Maar zie je het al voor je dat we 400 studenten in een collegezaal willen aansluiten op de VR-wereld? Dan zijn we een maand aan het verhuizen om iedereen aan te sluiten! Dus kijken we of we een virtuele server kunnen gebruiken, waarbij alle berekeningen in een datacenter plaatsvinden. Zo leren we bij elk vraagstuk een oplossing bedenken en willen we zo objectief mogelijk meten wat de prestaties zijn, als we iets variëren in de onderzoeksopstelling.”
Tunnel en handen schudden
De meeste VR-applicaties zijn gebouwd om thuis te gebruiken en niet via het mobiele netwerk. Bij de TU Delft heeft het onderzoeksteam getest met 5G en met Wifi6. Om ervoor te zorgen dat alleen geautoriseerde gebruikers toegang krijgen in hun eigen omgeving en uitsluitend elkaar zien, is een digitale tunnel gebouwd tussen twee apparaten. Dit bleek in het fieldlab prima te doen, maar in de toekomst zullen providers dit niet willen op een openbaar netwerk. Zo ontstond het idee voor een andere oplossing: een website die de gebruikers aan elkaar verbindt. “De gebruikers kunnen elkaar dan in deze ruimte ontmoeten en even handen schudden en kennismaken. Je hoeft dan niet op hetzelfde netwerk te zitten. De website is dan een soort tolk, die spelers, studenten, docenten of wetenschappers aan elkaar koppelt; afhankelijk van het soort toepassing. Ook zoeken we oplossingen voor het efficiënter maken van het dataverkeer. Voor 400 studenten heb je in principe 400 virtuele computers nodig. Of kunnen we het voor elkaar krijgen dat 1 computer 400 sessies tegelijk kan draaien? Hoe reageert een netwerk hierop? Dit soort vraagstukken oplossen is natuurlijk heel relevant.”
In het klassieke wetenschappelijk onderwijs spendeer je heel wat tijd in de collegebanken. Voor sommige studenten is daadwerkelijk iets zelf doen of ondervinden leerzamer dan aantekeningen maken. De informatie blijft dan beter hangen. Daarnaast opent VR een hele reeks nieuwe deuren. Denk hierbij aan experimenten of oefeningen die in het echt onetisch of gevaarlijk zijn om uit te voeren. “Je kunt studenten in een lab vertellen dat het gevaarlijk is om twee stoffen te mengen. In een VR-simulatie kunnen ze daadwerkelijk zien wat er gebeurt, bijvoorbeeld een explosie. En hier dus ook mee oefenen. Wat doe je dan precies als het misgaat? Net als een piloot in een simulator, kun je verschillende keren oefenen en er ook achterkomen hoe jij en anderen reageren in een stress-situatie. We zien dat er steeds meer vraag komt naar dit soort toepassingen in het bedrijfsleven. Bijvoorbeeld in de maritieme techniek. Bij sommige experimenten mag je als medewerker alleen maar observeren. In een virtuele scheepswerf kan iedereen actief meedoen. Over een paar jaar is de technologie zover dat hele industrietakken hiermee aan de slag gaan.”
Lichtsnelheid pauzeren
Luuk ziet ook binnen de TU Delft nog veel meer mogelijkheden op het gebied van practica. Bijvoorbeeld bij onderwerpen als architectuur: loop maar eens door je eigen gebouw om te kijken waar het ontwerp beter kan. Of bij natuurkunde. “Iemand had pas het idee om iets dat op lichtsnelheid gebeurt, zodanig te vertragen, dat je daadwerkelijk ziet wat er gebeurt. Je kunt een natuurkundig proces dan afspelen, langzamer, toch weer wat sneller, of even pauzeren. En dat terwijl je er met je neus bovenop staat. De mogelijkheden zijn eindeloos. Didactisch gezien zie ik een grote meerwaarde. Daarom zijn we heel gemotiveerd om dit verder te ontwikkelen. We kunnen nu met kleine groepjes oefenen, van zo’n 25 of 30 studenten. Dit willen we opschalen naar zo’n 400 studenten die tegelijk aan iets werken. Wij hebben nu al met het toekomstige 5G getest.
Do IoT Fieldlab heeft ons toegang gegeven tot de 5G mast die over een paar jaar beschikbaar is in Nederland. We hebben letterlijk in het veld getest en het is ideaal dat we er zelf naartoe kunnen lopen om dingen aan te passen. Dat heeft absoluut de ontwikkeling versneld.”
Hoewel dit project nu is afgerond, zijn er volop ideeën en plannen voor vervolgonderzoek. Luuk ziet de toekomst rooskleurig tegemoet. “We zijn nog lang niet uitgeleerd en uitontwikkeld. Sowieso willen we de ‘handenschudapplicatie’ ontwikkelen en helemaal goed werkend krijgen. Daarbij kijken we heel uitgebreid naar de beveiliging: het moet natuurlijk bestand zijn tegen hacken. Verder willen we het datacenter optimaliseren. De resultaten met een lokale virtuele server waren goed, maar met een server op grotere afstand, haperde de verbinding soms. We kunnen nog niet exact verklaren hoe dit komt. Daar willen we meer van weten. En we willen ons buigen over oplossingen die breed in de maatschappij zijn toe te passen. Dus stel je doet onderzoek in een buurtcentrum in een wijk, kun je dan 5G gebruiken in plaats van op zoek te moeten naar een betrouwbaar lokaal netwerk? Dan wil je het liefste een configuratie gebruiken waarvan er al getest is dat het allemaal werkt, zodat je niet voor verassingen komt te staan.”
Er is dus nog genoeg uitzoek- en onderzoekwerk voor de boeg. De voorbereidingen voor toekomstige onderzoeken zijn in volle gang. Do IoT Fieldlab zal ook in de toekomst deze onderzoeken waar mogelijk ondersteunen met advies en het samenbrengen van partners binnen en buiten het TU Delft Campus ecosysteem. Een van deze partners is de recent door Luuk opgerichte TU Delft startup Dash XR.