过去50年里计算机对科学与工程所带来的巨大冲击已众所皆知，然而在不久的将来，这种冲击可能会更大。1993年美国国家研究委员会的一份报告指出：
计算机与电子通讯的融合，在显著提高美国研究工作者的成果数量和研究效率方面具有巨大的潜力。要实现这种潜力，一个主要步骤是将科研人员群体的兴趣与计算机科学及工程人员群体的兴趣尽可能多地结合起来，以创造出高度集成、面向工具的计算与通讯系统来支持科学合作，这样的系统可称之为“合作实验室（collaboratories）”。
“合作实验室”这一名称是由威廉·伍尔夫（William Wulf）教授提出的，他将合作与实验室这两个词综合在一起，并把合作实验室定义为一个：
没有围墙的中心，在这里面，全国的研究人员无需考虑地理位置就可以进行研究——与同事交流、使用仪器设备、分享数据及计算资源，并且从数字化图书馆里获取信息。
合作作为科学研究的核心已有几个世纪的传统。虽然科学研究在过去50年里由于计算机革命而获益匪浅，但如果与我们对未来合作形式所赋予的高期望值相比较的话，往日技术对合作进程自身的冲击程度就显得微不足道了。
目前的科研合作极大地依赖于面对面的交谈、团组会议、个人行为以及亲自动手的实验。研究团组的大小各不相同。例如，从分子化学的3人小组到高能物理的300人一组。
计算机支持的合作研究工具正在被应用于合作之中。通过广泛的电子交往，散布在辽阔地域上的团组成员由于相互合作而能够利用最新的仪器和计算资源，由此在科学家中出现了紧密合作的新范例，这将加速基础知识的发展与传播以及研究设备的优化使用，并减少科学发现与其应用之间所需的时间。
合作实验室创造了一个每个人都能在其中相互交往的全新人工环境，使得研究团组内的科学交流变得更为容易。这个新环境必须能被社会中想参与并希望以此提高工作能力的人们所接受。许多计算工具必须将它们集成起来以提供持续而紧密的交流，其中的一些工具已被广泛地应用，例如电子邮件和全球万维网，而诸如远程全方位“亲临现场”的电子模拟等其它一些工具正处于研究开发之中。
1.合作实验室原型
为了便利于科研工作，合作实验室系统必须支持对可靠数据、各类分析、各种仪器和交互空间的共享，已有几个系统将这些基本成分合为一体。
数据驱动型合作的一个典型例子是“蠕虫社会系统（WCS）”，它是1990年由美国国家科学基金会（NSF）资助的有关合作实验室的首批项目之一。该系统支持科研人员研究一种无害、生存于土壤的线虫。WCS提供了有关线虫从基因组到行为特性的各类数据，并将这些数据与现有文献资料关联起来。线虫的一切知识以及对这些知识有贡献的任何人的信息都可通过该系统查询获得，WCS的这些功能使它从一个简单的数据共享工具升级为一个电子论坛。
提供远距离使用科学仪器是合作实验室的另一个基本中心议题，早期合作实验室的目标集中于对大型、昂贵仪器的共享，例如天文望远镜、粒子加速器、海洋探测设备、气象观测及空间研究仪器。“高层大气研究合作实验室（UARC）”是由NSF资助的另一个例子。UARC使6个研究机构能够使用设于格陵兰岛的太阳风观测仪，UARC的合作者们可将来自于仪器和测量分析的多媒体信息进行交流和归档。其它的合作实验室项目则共享一些较小的仪器设备，如电子显微镜、隧道扫描显微镜和核磁共振仪。
发展在数个实验室之间的共享交流空间是美国能源部的创意性宏伟目标，包括开发虚拟实验室系统所需的技术，且这些技术要能够包含国家实验室系统的科研资源，其目标是使全世界的科学家都能加入到解决涉及能源部科学和技术挑战的行列中来。为此，能源部制定了一个庞大的计划，“分布式合作实验室实验环境（DCEE）”计划是实现总体目标的第一步努力，具体包括以下四个主要项目：
（1）阿贡国家实验室和东北大学承担的“实验室空间”项目，目的是建立共享电子实验空间，内容包括对高级分析透射和扫描电子显微镜的远程使用、与欧洲高能物理中心之间基于国际数据连接的大型合作试验等。
（2）劳伦斯·利弗莫尔和橡树岭国家实验室、普林斯顿等离子体物理实验室等单位承担的“远程实验环境-分布式计算试验台”项目，内容涉及聚变研究仪器的远程操纵、交互式实时同步比试验、多重计算机网络间的数据交换、丰富听觉和视觉信息的远程再现，与多地点远程同事间的全面联合实验操作等。
（3）太平洋西北国家实验室（PNNL）承担的“环境与分子科学中的合作发展”项目，内容包括对两种性质非常不同但又相关合作类型的试验。其一是大规模高度共享合作类型（如对专用核磁共振谱仪的共享），其二是小范围浅层次合作类型（如对小型分子束反应动力学测试仪的共享）。
（4）威斯康星-密尔沃基大学承担的“先进光源”项目，内容包括对先进同步辐射光束发生器的远程操作、对高空间分辨率分析仪的远程访问等，由于使用这些仪器的合作项目非常庞大，并且研究人员的地理位置分散，因此可大大节约时间以及降低花费在培训、雇员和旅行方面的开销。
2.合作的社会学
要使不同地域科研团组之间的合作变得便捷容易是非常复杂的，虽然一个合作实验室在信息时代将只不过是一方村落，然而它毕竟是一席人造之地，需要有社会的适应。
如此一席之地能在社会上得以维持吗？在1993年芝加哥国际博览会上所崇尚的观点是：“科学发现·工业应用·人们适应”。而今一个技术系统的成功之所需似乎与之相反，我们希望技术来适应用户。一些人主张“技术与仁慈的社会是不相容的”，但我们相信，若能切实意识到人类的需要，技术是能够有助于合作进程的。
当然，宣称社会能接受这一人造之地并非社会就真的会接受。因此，除了纯技术内容以外，合作实验室的研究发展进程中还必须同时包括基本的社会心理学问题。为了使散布在各地但又追求着同样目标的人能够成功合作，用电子手段来创造一种舒适的地域感是否有可能呢？我们怎样才能支持人际合作的交流，甚至当依赖于面对面交流的科学发展的社会机制不复存在时也能提供这种支持呢？形体运动的无声语言及其空间位置对人际交流和社会控制是非常重要的，人工电子环境能提供如此丰富的人际交流途径吗？而其中，究竟哪些方面又是最为关键的呢？
合作实验室的开拓者必须考虑诸如自主、信任、地域感和对礼仪关注等方面的社会心理学议题。自主，描述了一个组织如何进行管理与协调，它是通过非正式交流、熟悉及联系来实现的，合作实验室的开拓者必须谨慎地将自主精神嵌入到虚拟组织中去；信任，通过合作者对经历的共享而建立，并通过面对面的会议、在同地一起工作等非正式途径而长期保持。而在一个合作实验室中，信任则必须通过一些特殊的方式来建立；地域感一使人们在其所处环境中产生舒适与安全感，由此赋予他们更大的创造力。如果合作实验室能利用一些已很成功应用于自然群体环境的设计策略，它也能在其散布各处的成员中创造出一种地域感和目标感，这将产生基于共同目标、持久的联合与合作愿望；礼仪，给人际交往注入丁调节剂，它也必须在合作实验室人工环境中找到其自身的位置。
技术解决方案即使很丰富，但往往也不能解决人的问题。例如在会议安排、群体决策、联合创作及分布式管理方面，群件的应用已取得了成功，而它未能被更广泛接受的原因，是由于其尚处于初级阶段的技术，以及对工作所在地社会与政治议题的不敏感性。群件在合作实验室中具体应用的选择与执行，必须在对合作研究中的社会与政治特征有清楚了解的条件下进行，其中包括著作权、对有贡献者的致谢、对同级人员的尊重以及对职业规范的认同，若没有这些特征，合作实验室系统就不会被接受。
3.合作的类型
通过与科学家们的交谈可以了解许多关于科学合作的过程。作为能源部“环境分子科学实验室（EMSL）”发展项目的一部分，向研究人员询问了他们现在和将来的合作性质，以便弄清电子合作环境所必须支持的交流类型。科研合作在团组大小、合作形式及研究焦点（实验、理论或计算）方面的跨度很大，EMSL的研究焦点是从事基础科学研究。
在上述调查反馈信息的基础上，我们划分出如下四大合作类型：
·同级人员对等型有些合作涉及到同一领域的研究人员共用一台仪器。例如，一位远地的研究者可能对一个新型探测器的设计有所贡献，然后又用它来研究感兴趣的系统。在这种类型的合作中，研究者之间享有共同的科学词汇，合作的最重要方面是共享型仪器及未经分析的原始数据，仪器的远程控制和对数据的直接存取在该类型合作中是很重要的。
·导师对学生型有些合作团组中包括有资深科学家以及像学生和博士后这类资力浅许多的合作伙伴。在这类合作中，导师可能使用预备的材料和现场示范来教授数据采集、分析技术和科学原理。然后，当学生们通过对新概念的恰当运用来显示他们的掌握程度时，导师必须加以观察。在导师与学生之间进行实时交流的必要性远远超过了常规的讨论会：导师与学生必须能够交互性地合作工作。此外，访问多种类型的档案信息（数据、注解、结果等）也是极其重要的，以便学生能再次获取这些材料。
·交叉学科型在一些合作中，往往包含对同一系统进行互补性研究的不同领域科学家。例如，一位理论学家在计算分子簇的结构时，可能一位实验学家正使用激光光谱仪对结构进行实验测定。在这类合作中，研究者之间可能无法共享彼此都熟知的科技词汇与语言，因此必须经常将结果转换成对方能理解的其它术语。此时，研究人员在试图综合他们的研究成果时，可能在扮演导师和学生的角色中会相互变换。仅仅提供直接使用仪器和原始数据在这类合作中并不是关键，更重要的是能获取总结性和分析性信息（也许这些信息被存储在电子记事本中），并且在对陌生概念讨论时能够得到支持与帮助，以便纠正技术上的误解。
·供应者对用户型某些合作中也包含不同学科领域的研究人员，但在该类合作中，仅仅是某一研究者或小组对其他研究人员提供输入信息。例如，一位质谱仪分析者可能为某一生物学家测定蛋白质序列；或者，一位表面科学家为某个想为危险废料在地表下传输建模的地质学家提供反应率数据。该合作类型的极端形式是一个基于按服务收费的分析型实验室，此时，在研究人员的学科及动机之间通常有很大的差别：一位科学家可能想研究某一新的物理现象，而与之合作的工程师则想要减少清洗过程的花费。在这种相互关系的合作者之间，专业上的交流机会就很少，他们认为最重要的只是得到一个测试样品并将结果交给对方。然而，如果这些合作者能更加密切地交流，他们可能会产生新的设想和方法。为了鼓励在基础和应用科学家之间建立紧密的交流，实验室举行了系列沙龙、研讨会和比萨饼晚餐。这种方式表明，当研究人员被供以随时可用的电子讨论工具时，该类合作会具有更大的互补性。
必须强调，我们虽然将合作分为不同的类型，实际上某一个合作中可能含有几种不同合作类型中的要素，或者是同时含有，或者是在合作发展过程的不同阶段分别含有。尽管如此，这些分类仍能帮助人们分清在不同工作模式下工作时，研究者所需要的不同交流要求，以及当任务及合作性质变化时研究者对合作需要的变化。研究人员在某一实验工作的不同具体任务中可能会频繁变换合作方式，这样一个事实意味着，电子合作实验室环境不能采用某一固定模式，而应该提供更为广泛的合作方式与手段，以使研究人员能为其手头工作更为快速、方便地加以选择和采用。
4.合作的技术
当前电子合作的实现手段是利用跨平台工具的集成，包括基于静态或必威在线网站首页网址 、同步或异步信息交流的各类工具，如电子记事本、视频会议系统、电子白板、共享屏幕、信息存取和仪器控制工具。
电子邮件通过时间序列型对话来支持合作，视频会议则支持附加有图形和白板功能（即双向交互式文本传输）的实时讨论、展示和发表独创性意见。
由于合作实验室将所有研究人员所利用的科研资源综合在了一起，这使实时工作与异步合作都将成为可能。所有科研资源都能被所有研究人员所利用，其效果是将远方合作者的角色从兼职顾问变成了近在身边的同事。
国家实验室、学术研究机构以及工商企业都在迅速推进合作实验室技术，窗口共享、仪器控制及文档共享等用于合作的应用技术正在与高速网络及安全环境齐头并进地陆续出现,但要做的工作还很多。
作为DCEE项目的一部分, EMSL已开发出一种名为Core的合作实验室原型系统，它是对Internet功能的松散集成，看似像Web的外延。Core提供了在Web页上单击鼠标就有开始或加入到多工具合作交流活动中去的方法, Core的“会议管理器”和“桌面执行器”跟踪进行中的交流活动、参加对象和所使用的交流工具，让使用者挑选适合于自身工作的工具，而无需顾及每个工具的连接体系、端口号、防火墙或Internet地址。
PNNL及其它国家实验室和大学正在开发Core及其所使用的工具。经选择的待开发工具将可提供范围广泛的跨平台功能,以便使研究者能够与远地同事以丰富的参与性形式进行交流。这些工具包括：
· 音频/视频会议工具合作者能互相听见和看见，并监控仪器和实验室。开发所使用的主要工具是基于网络的软件，如Mbone等。
· 交谈工具合作者能交换文本信息。
· 屏幕显示共享和白板工具合作者能查看共享显示中的所有运行程序并与之交流，也可在某一实时图像上端加入具有白板风格的注解，或遥控共享型应用。该工具将非合作式应用转化为合作式应用，同时也提供了电子白板功能。
· 共享型电子记事本工具不同于传统纸张式实验室记事本，电子记事本给予合作者们共享的机会，它提供了分布式数据存取，以及数据的自动导入、检索和其他在纸张式记事本上不可能实现的信息处理功能。目前的EMSL记事本创造了一个必威在线网站首页网址 的Web页，它能查询、显示实验信息并接受多媒体用户注解。Web页可提供数据文件、图像或对于每一个文件中数据的图形概括，以及每一文件的信息（例如仪器的使用参数、操作者的姓名及操作日期）。采集于仪器设备的信息被传送到企业数据库/档案系统中，这些信息被查询后自动更新电子记事本。用户可查询而选择出一个文件子集，并按取样文件、日期和拥有者姓名显示出来。他们也能方便地给原始信息加入文本、图像和文件注解。
· 文档共享工具多个合作者之间能利用鼠标拖放功能来传送文件。
· 在线仪器、计算机和可视化工具为某一当地用户编写的数据采集、分析、计算和可视化软件可加以修改，从而能在像Core这样的环境中用于合作用途。射频离子阱质谱仪是EMSL的首批在线仪器之一，它可以通过Core进行工作，并将数据直接存储于电子记事本。仪器控制软件同样也包括对实验室摄像镜头的全景式和摇摆式控制，它能用于视频会议中。同样地，通过使多个合作者之间能同时互相看见并交流，则分析、建模及其它形式科研应用的合作层次就都将会提高。
· Web同步浏览工具合作者可使用Web信息资料来进行讲课或讨论。当一个用户进入到某一新的用户需求语言，所有已连接的浏览器将进行自动跟踪。讲课（只有讲课老师的浏览器才有操作响应）或讨论（同等级人员之间）模式都是可能的。
上述工具必须集成到一个顾及用户社会心理学要求的友好用户环境中。正在出现的各种技术将快速促使各种用户环境因素的优化提高，如常规安全、交流活动管理、通信过程界面、面向对象型科学数据模型和实验过程模型等。正在出现的视频会议和电子白板技术标准以及Java等跨平台语言也将有助于创造出一个高度集成、高度可扩展的合作环境。
在此情况下，将会开发出新型的二维或三维界面合作环境，实验室记事本可能将不仅仅包含注解和图形，也包括仪器控制、实时数据图形和视频会议窗口。为研究团组添加注解用的永久性电子白板、建立在不同实验室中的共享型模拟和虚拟装置将构成一个全方位的虚拟组合系统，可以使用户在声像俱全的环境中进行合作交流。
5.合作的障碍
实现虚拟合作环境的障碍来自于技术和社会学两方面。现有的工具往往还不够成熟、集成度低、技术支持困难和维持费用昂贵。
那种“做出来，人们就会用”的格言在计算机工业中日益被证明是错误的。某种技术常常虽已存在却未被应用，是因为人们认为它很少或没有价值。当我们满足于时间将最终使合作实验室解决方案符合科学交流的要求时，我们已经遇到了挑战，要求促使虚拟合作成为科学发展所必不可少的东西，并使之在社会心理学角度也能被接受。
我们能对合作实验室将给科学探索带来的价值作出乐观的预言，我们也同样能对它为何失败而作出合理的推测。我们知道，要清楚地预见未来是多么困难。收音机之父Lee De Forest在1926年对电视机所作的评价仍绕响在耳边：“电视机在理论和技术上虽然可行，但在商业和经济上我认为是不可能的，它的发展是浪费时间的梦想”。
视频会议的广泛应用被延缓，其部分原因是价格昂贵、硬件限制、标准缺乏，以及音视质量粗劣。视频会议已带来的益处还并不足以克服利用现有系统所面临的问题。
我们在能源部有关视频会议的几个项目中应用了基于Mbone的免费软件例程，Mbone目前正被一小部分Internet用户广泛应用于视频会议和广播。架构于Unix的Mbone视频应用仅提供每秒几帧画面的速度，但却花费了200 KB/秒的网络带宽。Mbone现在能提供向Mac和PC平台的单向连接。跨平台的白板、电子记事本以及共享屏幕比视频使用更小的带宽，但它们还处于早期的开发阶段，特别是在互操作性方面。
对合作实验室工具的研究要再持续几年时间，才能达到被最终用户接受的成熟程度。
我们预言，合作实验室将会成为我们未来的一部分，它们将提供丰富多彩的远程再现环境，并且虚拟实验室的数量将会激增。同样我们推测，在科学追求和新的研究探索模式中，随着复杂程度的提高，对合作的需求将会增强。作为教育家，我们面临着训练学生如何在复杂问题的多学科环境中工作，这将迫使我们采用新的教育策略与手段。合作实验室的概念是对通讯与信息技术一种本质完全不同的使用方式，其潜在能力将会拆除使部门与机构处于封闭状态的围墙，并将导致一个超级实验室集团的产生，其研究能力将远远超过任何一个单独实验室。
[Computer，1996年8月：原文网址http：//www.wvu.edu/~research/DOE/IEEEcollaboratory. html]