元宇宙的發展

郭尚志，廖曉峰，李 剛，唐玉玲

(1.重慶大學 計算機學院，重慶 400030；2.湖南科創信息技術股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

元宇宙這個詞匯最早出現在1992的科幻小說《雪崩》，書中提到了元宇宙，并進行了描述，同時如果要進入元宇宙，另一個關聯詞是化身，需要以虛擬身份進入虛擬世界，而這個虛擬的世界稱之為“元宇宙”。人們通過化身數字化，和現實生活規則一樣，通過不斷的競爭，獲得價值認同[1]。而這部小說可關聯到另一部更早的小說《真名實姓》，這些虛擬世界化身的想法很可能受到了《真名實姓》啟發，《真名實姓》由美國數學家和計算機專家弗諾·文奇教授于1981年撰寫出版。在《真名實姓》還提到了另一種想法，即腦機接口，今天，馬斯克正在把這種想法實驗在猴子身上。2003年一款游戲叫《Second Life》發布，它在理念上部分解放了現實世界所面臨的窘境，快速調整自己的身份，在虛擬世界當中，可以通過擁有自己的分身來實現。2020年由于疫情的原因，人們非接觸的時候比以往的時間變得更長，推動了虛擬化技術的快速發展[2]。2021年，元宇宙快速發展，Soul推出了社交元宇宙App，與此同時，最大的軟件巨頭微軟也正在打造一個企業級的元宇宙[3]；芯片界的大佬英偉達推出元宇宙基礎計算平臺；臉書(Facebook)更加激進，把公司名字直接改為(Meta)；虛擬世界平臺Decentraland公司發布消息，巴巴多斯將在元宇宙設立全球首個大使館，全球首款AI人工智能數字皮影藏品登錄元宇宙[4]；國內的海爾公司作為制造業的龍頭，提出智造元宇宙，涵蓋工業互聯網、人工智能、增強現實、虛擬現實及區塊鏈技術，實現智能制造物理和虛擬融合，融合“廠、店、家”跨場景的體驗，實現了消費者體驗的提升[5]?；ヂ摼W公司字節跳動宣布收購VR創業公司Pico；百度作為國內最大的搜索提供商，推出元宇宙應用“希壤”[6]。2022年，索尼(Sony)宣布了下一代虛擬現實頭盔(PS VR2)的新細節，以及一款適配PS VR2的新游戲[7]。高通技術公司在2022年國際消費電子展(CES)上宣布與微軟合作，擴展并加速AR在消費級和企業級市場的應用。雙方對元宇宙的發展充滿信心，微軟公司正與高通公司展開合作，提供整個體系的發展，提供定制化的AR芯片，解決AR眼鏡過重的問題，提供更輕便的AR眼鏡，使人們更好地感知未來的世界，同時提供配套的開發軟件接口，供開發者針對AR眼鏡提供更好的應用[8]。Facebook母公司Meta宣布，其第一家“元宇宙”實體店將于5月開業，消費者可以在那里試用和購買虛擬現實(VR)頭顯和其他設備。

1 元宇宙

1.1 元宇宙的定義

北京大學陳剛教授、董浩宇博士這樣定義元宇宙：“元宇宙是利用科技手段進行鏈接與創造的，與現實世界映射與交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間[9]?！鼻迦A大學新聞學院沈陽教授這樣定義元宇宙：“元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，以及數字孿生技術生成現實世界的鏡像，通過區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和編輯[10]?！蓖瑫r，也有學者的觀點是多維交叉的角度定義元宇宙。從時空性來看，元宇宙是一個空間維度上虛擬而時間維度上真實的數字世界；從真實性來看，元宇宙中既有現實世界的數字化復制物，也有虛擬世界的創造物；從獨立性來看，元宇宙是一個與外部真實世界既緊密相連，又高度獨立的平行空間；從連接性來看，元宇宙是一個把網絡、硬件終端和用戶囊括進來的一個永續的、廣覆蓋的虛擬現實系統[11]。與現實世界平行、反作用于現實世界、多種高技術綜合，是未來元宇宙的三大特征。認為元宇宙主要是對現實的虛擬與數字化的過程。在這個要求下，提出相對應的技術支撐，基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和世界編輯[12]。

元宇宙方興未艾，上面的很多觀點或定義多數考慮從現實如何虛擬到其他宇宙，沒有從更廣闊角度來考慮元宇宙的發展，或者受制于今天的技術發展。元宇宙從中國的探月成功，到馬斯克火星飛船與猴子的腦機實驗，人類的想象力驅動著科技工作者不斷向前，走向更深遠的未來，科技的發展如果按平面坐標軸來表達，縱軸為現實，橫軸為虛擬，在縱、橫軸之間就是N1與N+1宇屆混合，即為未來的發展方向。這里基于客觀角度科技發展的趨勢，主觀角度人類自我發展的內在驅動，提出元宇宙新的定義：“在眾多創新科學技術發展下，生物體在N平行宇宙無差別的感知和無縫活動、工作、生活的世界。”N1宇宙即實現宇宙，N+1即可以是N1的復制融合，也可以是一個全新的宇宙。新概念下元宇宙發展將經歷三個階段，即虛擬階段、物機互融階段、N平行宇宙階段。下面對三個階段進行闡述，同時對各階段需要支撐的科學技術要求進行說明。

1.2 元宇宙發展的三個階段

1.2.1 虛擬階段

虛擬階段是元宇宙發展的初級階段，這一階段主要是創新N+1宇宙，把N1宇宙的生物、植物、真實環境時段虛擬化至N+1宇宙。主要有以下幾項重要技術(見圖1)：一是擴展現實技術，包括VR和AR。擴展現實技術可以提供沉浸式的體驗，可以解決手機解決不了的問題；二是數字孿生，能夠把現實世界鏡像到虛擬世界里面去。這也意味著在元宇宙里面，可以看到很多自己的虛擬分身；三是采用區塊鏈來搭建經濟體系，隨著元宇宙進一步發展，對整個現實社會的模擬程度加強，在元宇宙當中可能不僅僅是在花錢，而且有可能賺錢，這樣在虛擬世界里同樣形成了一套經濟體系[13]；四是人工智能技術，計算機學科一個重要分支，人工智能技術在近幾年大放光彩，尤其是機器學習，深度學習在機器視覺、圖像識別、自動駕駛、智能推薦、智能機器等領域取得可喜的成績，以大數據、算力，算法為基礎，作為人類智慧的延伸，深入到社會各行各業。也成為了元宇宙的重要基石；五是物聯網技術，物聯網通過各個終端傳感器，在無線網中傳輸數據，把萬物互聯起來，通過大數據對運行的設備進行管控，提升各個行業的管理水平，發現過去無法聚合的事物特點。通過定位、發現、支撐、安全、管控、報表、領導智能駕駛艙等方式，完成對整個產業鏈條的監控，同時和人工智能結合起來，提供決策分析的能力，更好地服務產業發展；六是娛樂技術，通過3D建模、實時渲染等方式提供逼真的虛擬空間。六個重要技術是元宇宙虛擬階段從N1宇宙投影到N+1宇宙的重要底座。

圖1 虛擬階段的主要技術

目前元宇宙比較好的體現是在游戲娛樂行業，隨著技術不斷發展，在工業、娛樂、消費、社交等方面都會得到充分的發展，人類整個生活都將真實投影到虛擬的世界中。元宇宙的爆火，以及對未來的影響，大家欣喜的同時，也應該更加理智地去看待，比如：數據安全、技術限制、金融服務監管、知識產權保護等等，隨著各項制度、法律的完善，元宇宙的實現或將開啟互聯網的全真時代。隨著臉書公司(Facebook)更名為Meta，馬克·扎克伯格讓許多人將Oculus和元宇宙畫上了等號，認為元宇宙就是一個可以通過VR頭戴設備和遙控器進入的虛擬空間。的確，對于一些特定的用途，Oculus可以發揮作用，讓元宇宙大放異彩。比如VR頭戴設備可以模擬特殊環境(離岸石油平臺、核電站等人類難以接近的空間)開展職業技能培訓，也可以讓用戶在云端逛博物館，欣賞動人的藝術展和科技展。讓數十億社交媒體用戶、市面上還有許多第三人稱視角的元宇宙，只要利用現有的設備就能輕松訪問，比如Manzalab實驗室專為企業和培訓機構開發的Teemew元宇宙。甚至諸如GatherTown平臺的二維虛擬空間也算是一種元宇宙。GatherTown的畫風參照了復古的像素游戲，用戶可自由設計二維空間，當兩個與會者在屏幕上擦肩而過時，視頻聊天框就會立刻彈出。這些小規模平臺早已實現遠程交互所需要的功能。

目前還在虛擬階段的初期，只是通過一些輔助設備進入同一個世界的元宇宙是不太可能的，因為在頭戴設備的生產、成本、舒適度和平臺的互通性等方面，還有些技術難題需要突破。相較于早已適應的移動物聯網，元宇宙在虛擬階段還需要發展相當長的時間。

1.2.2 物機互融階段

物機互融階段是對生物自身視覺、聽覺、觸覺、味覺等融入到N+1宇宙，與N1宇宙幾乎無差別的感知能力。這個階段是對生物自我擴展的過程，依賴于以下幾項關鍵的技術：一是超微芯片技術，超微芯片技術發展，可以理解為觸覺、視覺、味覺、意識接口的一個重要環節，通過超微芯片的發展可以聯絡生物在N+1世界的無差別的感知能力。二是醫學技術高度發展，醫學技術的發展，對于上面提到的超微芯片植入如同打針一樣簡單，植入變得自然而然。三是無線漫游供電技術，無線漫游計算解決漫游供電能力，為超微芯片提供無所不在的供電能力。四是超級無線網絡技術，目前的帶寬無法支撐生物、環境無縫接入，高速不間斷傳輸切換的要求，需要大力發展超級無線網絡技術。

馬斯克的猴正在快樂地打著游戲，猴子也許代表著一個新的時代的開始。2022年馬斯克在一次訪談中表示，旗下的公司NeuraLink制造的腦機接口將開始植入人體[14]，馬斯克的腦機接口是什么？NeuraLink放出了一段短視頻，演示了腦機接口的工作過程，這是一只叫做Peter的猴子，正在一邊喝著香蕉奶昔，一邊用操縱桿玩游戲，它的大腦植入了NeuraLink的腦機接口芯片，這個芯片可以方便地跟手機進行配對，就像配對一個藍牙耳機一樣，配對之后，猴子的腦電波就可以被記錄。首先，要對腦機接口進行校準；接著，就可以對猴子的行為進行學習和預測，這個預測可是一個不容忽視的功能，腦機接口不僅僅是一個被動的設備，而且還能預測出將要做出的動作，腦機接口校準之后，游戲就完全可以由腦機接口進行控制，游戲手柄的連接線已經被斷開，這時候猴子以為游戲是在自己的掌控當中，其實已經完全被腦機接口接管。NeuraLink的芯片只有一枚硬幣的大小，它有1 024根相當于神經的電級，使用一臺被稱作縫紉機的機器人精確地植入大腦，支持無線充電。馬斯克說到：2022年的腦機接口將主要應用于癱瘓患者，讓那些無法行走或者沒有辦法使用手臂的人再次恢復行動的能力；其次，也允許人類進一步擴展能力想象空間，按照馬斯克的時間表，十年內人與人之間就可以通過腦機實現心靈感應，意識交流，不用說話直接腦信號交流。

科學界對腦機接口的研究可以追溯至20世紀70年代。1973年，美國加州大學洛杉磯分校的Jacques J. Vidal首次在科學文獻中提出“腦機接口”這一專業術語[15]，同時提出了一個關鍵問題：能否將可觀測的腦電信號用作人機通信中的信息載體或控制諸如假肢或宇宙飛船之類的外部設備？由此至今，對腦機接口的相關研究已經進行了近50年，中國信通院將這50年中腦機接口技術的發展歸納為以下三個階段：階段一：1970年至1980年初期，科學幻想階段。這一階段，受限于技術條件，腦機接口研究并未取得明顯進展。階段二：1980年至1990年末，科學論證階段。腦機接口開始有了明確性進展，業界開始出現各種腦機接口系統。比如美國和歐洲的研究者都開發出了基于感覺運動節律的腦機接口系統；Gert Pfurtscheller等人開發了另一種基于感覺運動節律的腦機接口；ErichE.Sutter提出了一種高效的基于視覺誘發電位的腦機接口系統。階段三：21世紀至今，技術爆發階段。這一階段，業界開始聚焦于實現腦機接口的技術路線，發展各種各樣的技術方法，以推動腦機接口的應用。除了研究的規模和范圍急劇擴大之外，腦機接口的快速發展也促進其他領域的發展，如人機交互、智能系統、工效學等。目前，腦機接口的潛在應用領域已經遠遠超出臨床醫學，拓展到情緒識別、虛擬現實和游戲等非醫學領域。在這一過程中，腦機接口在技術層面也演化出了不同的分類方法，背后的原理基礎都是神經科學。

國內腦機接口仍處于爆發前夜。國內對腦機接口技術領域的研究最早可追溯到20世紀90年代，清華大學創建了基于穩態視覺誘發電位(SSVEP)的腦機接口新范式，目前是無創腦機接口三種主要范式之一。2014年以后，各地開始陸續出臺腦科學、人工智能相關政策，加速了對腦機接口的研究。比較重要的一個文件是，2017年，四部委聯合印發了《“十三五”國家基礎研究專項規劃》，明確提出了腦與認知、腦機智能、腦的健康三大核心問題[16]。人類雖然已開始涉獵至物機互融領域，但是和元宇宙的第二階段的要求還相差甚遠，需要第一階段的鋪墊與融入場景和第二階段融合起來，提供整體解決方案。

物機融合階段如圖2所示。

1.2.3 N平行宇宙階段

平行宇宙是把N1、N+1統一融合起來，N1宇宙中的生物可以無差別感知，無縫工作、生活于這個平行宇宙宏大世界中。依賴的關鍵技術主要有：一是超級ID身份安全認證技術，每個N1宇宙的生物、關聯環境都是唯一的超級ID，為在平行宇宙中識別的唯一代碼；二是無所不在可分類超級云服務和微云服務、超級云計算和邊緣計算，為每個生物回憶、意識提供上傳、存儲、備份、高速計算能力，當所有生物都接入到云計算中心時，需要強大的算力才能完成；三是意識、記憶編輯技術，當ID在任何平行宇宙中工作、生活時都會根據宇宙本身的形態，自動植入相關的與N1宇宙無差別的環境因素，ID自身無法區分在是在N1或N+1宇宙，社會形態的管理、安全、規則、法制從N1無縫延伸至N+1宇宙。在N平行宇宙中，生物隨時隨地穿梭于其中，工作、生活、遵守規則與邊界，與N1沒有任何區別；四是超級人工智能，人工智能算法更進一步，可以更智能地營造各種生物活動場景，提前預測可能發生的，更智能的記憶整合能力；五是超級云存儲，記憶、環境、時間軸所有時空環境、活動無縫在N平行宇宙移動，需要強大的存儲能力。2022年7月，馬斯克又有驚人動作，對外宣布已經成功將自己的大腦上傳到云端，并且與虛擬版的“自己”進行了交流。

圖2 物機融合階段

N平行宇宙如圖3所示。

2 示 例

以一個S在N1宇宙中編程為例，工作是編寫代碼，如圖4所示。場景需要敲擊鍵盤，看屏幕，可能會拿起旁邊溫暖的咖啡杯喝兩口。

當S處在虛擬階段時，在N1宇宙中的鍵盤、屏幕下進行編程工作。工作場景鍵盤、屏幕、周邊環境無縫地被真實投影到N+1宇宙中，S可以在N+1宇宙中根據真實投影的內容繼續工作，也清楚地知道自己在一個虛擬的環境中工作，同是也知道鍵盤、屏幕、咖啡杯是投影出來的，無法感知到鍵盤對手指的反饋、也無法感覺到咖啡杯的溫暖。

當S處在物機互融階段時，S在N+1宇宙可以清楚感覺到自己敲擊鍵盤反饋與N1無任何區別，甚至端起旁邊的咖啡杯時，也能感覺咖啡杯的溫度，試圖喝兩口，味覺同樣感受到咖啡的那種苦中帶澀絲滑(其實什么也沒有喝)。S也清楚知道自己處在一個虛擬環境中，當從N+1宇宙中切換出時，咖啡杯里面咖啡一滴都沒有少。

當S處在N平行宇宙時，S從N1進N+1宇宙時，N+1宇宙會有提醒是否保留這段進入的記憶以及在N1與N+1宇宙的無法完全同步的內容(N1宇宙咖啡減少問題)，如果不保留，那么在上面場景中，N+1宇宙中就是通過記憶編輯技術，以及上面提到的無所不在可分類超級云服務和微云服務、超級云計算和邊緣計算等技術，自動處理S的記憶，隨時同步。當S從N+1宇宙脫離至N1宇宙時，是的，那都是真的(S在N+1宇宙中嘗試喝咖啡的經歷似乎從來都沒有發生過)，當然在這種場景下，N+1宇宙會根據S自己的能量水平，定時讓S脫離N+1宇宙。S在N平行宇宙的工作、生活、消費所有一切都是無縫、無差別的，一個N平行宇宙組成的世界。

圖4 各階段示例

3 結 論

3.1 科學技術的應用沿著兩個軸與夾角發展

如果把科學技術發展放在一個平面坐標系中，縱軸是實體，橫軸為虛擬?？茖W技術向實體發展，就是探索這個N1宇宙，可能會乘坐星際飛船去火星、月球等旅行，甚至更遠更廣袤的宇宙深處。如中國的登月飛船、馬斯克的SpaceX、貝索斯的藍色起源；科學技術向虛擬發展，人類夢想的無限放大，擴展人類想象空間。在橫軸與縱軸之間人類可以創建無數的融合N+1宇宙，借助科技的力量，創建一個全新的世界，你既可以在N1宇宙里面乘坐馬斯克的SpaceX到火星上旅游，也可以在N+1宇宙里提供火星旅行的供應商去火星旅行，在元宇宙發展第三階段時，這兩種方式都無差別記錄在你的記憶中，都是一樣的真實。

3.2 人類自我的內驅力改造世界的訴求

人類對這個世界的好奇心，對自身迭代的不滿足，促使人類渴望更遠的未來。在科技的助力下，不斷提升自我認知，加速認識。創新一個未來的虛實無縫切換的全新空間，全新的革命性的工作、生活規則。在這個世界中，每個生物一出生即獲得唯一的數字ID，無感的通行于若干的宇宙，如在N1宇屆一樣的自然，一個自我否定、自我重新認知的全新數字化、智能化的新空間。人類從不缺乏想象力，想象力是科學技術發展的催化劑。如果人類有可能向這個方向發展，掌握這個新的世界的入口至關重要，需要提早布局，無論是科學技術的布局，還是法律法規。

4 結束語

隨著科技的飛速發展，人類對這個世界的改造和追求，元宇宙從早期的概念不斷發展，實現虛擬現實的用武之地，讓其發揮價值、吸引投資，同時疫情讓VR、AR大放異彩[17]。元宇宙最終走向哪里，需要每個人去不斷探索、思考，人類的想象力是科學技術發展的助推劑，科學技術的發展而又讓人出乎意料[18]。上面提及的概念及發展階段僅是一種可能性，希望可為元宇宙的發展帶來一些啟示，并對可能產生的結果在社會、管理、法規、法律上提早布局，使其在一個良性環境中發展。