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致力于數(shù)字孿生體技術(shù)的研究與發(fā)展 通過解決方案和工程化應(yīng)用造福人類 原創(chuàng)：數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室 作者：段海波 近幾個(gè)月來元宇宙概念的爆火，與近幾年來數(shù)字孿生的大熱，兩種現(xiàn)象之間有哪些異同？ 元宇宙究竟是概念炒作的科幻噱頭、資本割韭菜的利器，還是代表了互聯(lián)網(wǎng)的未來，亦或兩者都有？ “脫胎于現(xiàn)實(shí)世界、又與現(xiàn)實(shí)世界相互影響、且始終在線的虛擬世界”的元宇宙，與“虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)連接、動態(tài)交互”的數(shù)字孿生，貌似有很多相同點(diǎn)，但又不太一樣，兩者之間究竟是什么關(guān)系？ 本文擬從技術(shù)演化的視角，對比分析元宇宙和數(shù)字孿生兩個(gè)概念，并對這兩項(xiàng)技術(shù)，特別是元宇宙的未來發(fā)展做一展望。 在進(jìn)入正題之前，有必要梳理一下Metaverse元宇宙的時(shí)間線，特別是那些目前市面各種解讀文章不太關(guān)注、卻又有價(jià)值甚至很重要的技術(shù)相關(guān)事件，作為對投資收購上市等商業(yè)事件時(shí)間線的補(bǔ)充。 1992 年，Metaverse作為科幻概念被首次提出。美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森在其著作《雪崩》中給出一個(gè)賽博朋克式（Cyberpunk，極低生活水平和極高技術(shù)水平的結(jié)合）的設(shè)定，人類可以通過數(shù)字替身（Avatar），在一個(gè)使用現(xiàn)實(shí)世界隱喻的三維虛擬空間中與彼此和軟件代理進(jìn)行交互，現(xiàn)實(shí)世界的所有事物都可以被數(shù)字化復(fù)制到這一空間，作者將這個(gè)虛擬空間稱為Metaverse。 1994年，紐約大學(xué)向美國專利局遞交了《Method and system for scripting interactive animated actors》的優(yōu)先權(quán)；1997年正式提交申請；2001年得到專利授權(quán)US6285380。這是全球第一個(gè)在專利說明書中提到尼爾·斯蒂芬森的《雪崩》和Metaverse的專利。目前全球大約有300個(gè)專利申請或授權(quán)在專利文本中提到metaverse，按專利權(quán)人分布如表1所示。 表1 專利文本中提到metaverse的專利權(quán)人分布（數(shù)據(jù)來源：谷歌專利） 2003年，林登實(shí)驗(yàn)室推出了第二人生。該項(xiàng)目的既定目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)用戶定義的世界，例如 Metaverse，人們可以在其中互動、玩耍、開展業(yè)務(wù)和進(jìn)行其他交流。 2007年，加速研究基金會（Acceleration Studies Foundation）發(fā)布《Metaverse 路線圖——通往三維網(wǎng)絡(luò)的途徑：一個(gè)跨行業(yè)的公共前瞻項(xiàng)目》報(bào)告。 2007年7月，瑞士洛桑舉行的第81屆MPEG會議上，韓國向MPEG工作組（原ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11）提交Metaverse案例提案。這是Metaverse首次進(jìn)入國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域。 2007年，第一本元宇宙相關(guān)專著《The Second Life Herald: The Virtual Tabloid that Witnessed the Dawn of the Metaverse（第二人生使者：見證元界黎明的虛擬小報(bào)）》出版。 2007年底，IBM向美國專利局遞交了《Rules-based profile switching in metaverse applications》專利申請，這是全球第一個(gè)專利標(biāo)題中提到Metaverse的專利申請。該申請2009年公開，但未授權(quán)。目前全球有21個(gè)專利申請或授權(quán)在專利名稱中提到metaverse，按專利權(quán)人分布如表2所示。 表2 專利名稱中提到metaverse的專利權(quán)人分布（數(shù)據(jù)來源：谷歌專利） 2008年初，IBM向美國專利局遞交了《System and method for group control in a metaverse application》專利申請，2015年拿到授權(quán)US8990707，成為全球第一個(gè)專利標(biāo)題中提到Metaverse的授權(quán)專利。該專利的PCT申請2009年初同時(shí)進(jìn)入日本和中國，2015年拿到日本專利授權(quán)，但其中國申請《虛擬實(shí)境應(yīng)用程序中群控制的系統(tǒng)和方法》（CN101482900A）一直未授權(quán)。 2008年10月至2011年3月，由飛利浦和以色列智庫MetaverseLabs發(fā)起的歐盟ITEA項(xiàng)目Metaverse1成功運(yùn)行。該項(xiàng)目的成果之一是ISO/IEC 23005系列標(biāo)準(zhǔn)，旨在真實(shí)物理世界和虛擬世界之間定義標(biāo)準(zhǔn)接口，以實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的連接、信息交換和互用。 2011年，ISO/IEC 23005-1（Media context and control — Part 1: Architecture）第一版發(fā)布，是第一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)文本中提到Metaverse的國際標(biāo)準(zhǔn)。2020年，ISO/IEC 23005-1第四版發(fā)布。 2019年，IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)起P2888項(xiàng)目（Interfacing Cyber and Physical World），邁出了開發(fā)連接物理世界和虛擬世界、構(gòu)建同步元宇宙的標(biāo)準(zhǔn)體系的第一步。作為ISO/IEC 23005系列標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，IEEE 2888包括四個(gè)部分：傳感器接口（Specification of Sensor Interface for Cyber and Physical World）、執(zhí)行器接口（Standard for Actuator Interface for Cyber and Physical World）、數(shù)字化同步（Orchestration of Digital Synchronization between Cyber and Physical World）和六自由度虛擬現(xiàn)實(shí)災(zāi)害響應(yīng)訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)。前三部分旨在為數(shù)字孿生空間或元宇宙提供通用技術(shù)，第四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是特定領(lǐng)域的應(yīng)用。 圖1 IEEE 2888系列標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)（來源：IEEE SA） 2021年，韓國成立全國元宇宙聯(lián)盟，目標(biāo)是建立統(tǒng)一的全國VR和AR 平臺。 把上述專利、標(biāo)準(zhǔn)、開源項(xiàng)目等Metaverse技術(shù)研發(fā)相關(guān)的時(shí)間線，與谷歌趨勢反映的結(jié)果相比較，我們看到，雖然近一年和近五年的Metaverse的谷歌趨勢都是中國貢獻(xiàn)的流量第一，但把時(shí)間放長，2004年至今的谷歌趨勢（圖2）是韓國獨(dú)占鰲頭，而且2007前后的相對高坡與上述技術(shù)時(shí)間線反映的情況基本一致。 圖2 2004年至今的Metaverse谷歌趨勢 目前大部分人都人云亦云地把Metaverse直譯為元宇宙，相信meta就是“元“的意思，認(rèn)為verse就是universe是宇宙的意思。要知道，meta-這個(gè)前綴在英文中有兩、三種意思，包括：
中文用“元”（指本源、本質(zhì)）來翻譯meta-，并不能覆蓋所有情況，Metaverse就是如此。元宇宙，聽上去是個(gè)理論物理學(xué)或宇宙學(xué)概念，是關(guān)于宇宙本質(zhì)本源或多重宇宙的宇宙。但Metaverse不是關(guān)于宇宙的宇宙，而是超越現(xiàn)實(shí)的虛擬世界。所以，“超界/超世界”才是更準(zhǔn)確的翻譯。由于VR/AR/MR技術(shù)的發(fā)展，我們在現(xiàn)實(shí)世界外，構(gòu)建了一個(gè)虛擬世界，它延展或超越了現(xiàn)實(shí)世界，即“超世界”，叫成“超宇宙”也可以。把Metaverse譯為元宇宙，是個(gè)容易誤導(dǎo)人的不理想的翻譯。由于市場的力量足夠大，我們只能暫且延用元宇宙的說法。 目前，維基百科對Metaverse的定義是比較公認(rèn)的定義之一，它來自上文提到的2007年發(fā)布的《Metaverse 路線圖》。《Metaverse 路線圖》給出了Metaverse的五個(gè)定義，其中第一個(gè)被維基百科采納。今年5月，美國技術(shù)未來學(xué)家凱茜·哈克爾訪談了20位專業(yè)人士，收集發(fā)布了20個(gè)Metaverse的新定義。表3整理了從2007年至今的部分元宇宙定義。 表3 元宇宙定義的演變 關(guān)于Metaverse的內(nèi)涵，正如大家現(xiàn)在看到的，三十年來，Metaverse早已脫離了早期科幻小說賽博朋克的設(shè)定，通過嚴(yán)肅認(rèn)真的科技研發(fā)投入和商業(yè)運(yùn)作，首先進(jìn)入了與大眾生活密切相關(guān)的游戲娛樂領(lǐng)域，其概念內(nèi)涵一直處于不斷的演變過程中，各種說法層出不窮，尚沒有權(quán)威統(tǒng)一的定義。 我們知道，一個(gè)規(guī)范的術(shù)語條目定義，是區(qū)別特征加上上位概念。先來看元宇宙的區(qū)別特征。距離元宇宙最近、與元宇宙最相關(guān)的概念，肯定是虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)，或者說是這些技術(shù)的應(yīng)用，比如元宇宙和多年前的大型多人在線角色扮演游戲——第二人生有什么區(qū)別？目前各大廠和游戲廠商推出的元宇宙應(yīng)用，與虛擬現(xiàn)實(shí)+社交、虛擬現(xiàn)實(shí)+游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)+購物究竟有什么區(qū)別？ 梳理表3的各種定義，我們可以總結(jié)出（未來的）元宇宙和上述技術(shù)或應(yīng)用的三個(gè)區(qū)別特征：
上述三個(gè)區(qū)別特征，既是元宇宙與其他現(xiàn)有技術(shù)和應(yīng)用的本質(zhì)區(qū)別，實(shí)際上也是人類未來構(gòu)建元宇宙所要滿足的需求指標(biāo)。 那元宇宙究竟是一種什么東西？它的上位概念是什么？是維基百科定義中的虛擬共享空間嗎？亦或臉書、騰訊等大廠心目中的下一代互聯(lián)網(wǎng)？對這個(gè)問題的回答，實(shí)際上涉及到人類構(gòu)建元宇宙的終極目的。例如，為什么人類需要游戲？為什么人類需要虛擬空間？元宇宙究竟解決了人類的什么問題和需求？科普作家汪詰認(rèn)為，元宇宙的本質(zhì)是一場現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的接口革命。這一觀點(diǎn)正好應(yīng)和了IEEE 2888系列標(biāo)準(zhǔn)要解決的問題。 有了上述元宇宙的三個(gè)區(qū)別特征或需求指標(biāo)，我們就可以開始為元宇宙這個(gè)未來的復(fù)雜體系進(jìn)行技術(shù)系統(tǒng)分析。 Beamable公司創(chuàng)始人Jon Radoff提出了元宇宙的七層架構(gòu)（圖3）：基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)交互、去中心化、空間計(jì)算、創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)、發(fā)現(xiàn)和體驗(yàn)。 圖3 元宇宙的七層架構(gòu)（來源：Jon Radoff） 元宇宙的最底層是基礎(chǔ)設(shè)施。包括支持我們的設(shè)備、將它們連接到網(wǎng)絡(luò)并提供內(nèi)容的技術(shù)，如5G/6G、芯片、電池、圖像傳感器等等。 第二層是人機(jī)交互層。這一層主要是智能可穿戴設(shè)備。目前索尼、微軟、Oculus、三星等公司生產(chǎn)VR/AR用頭盔好比移動互聯(lián)網(wǎng)早期的大哥大。很快我們將擁有：可以執(zhí)行智能手機(jī)所有功能以及AR和VR應(yīng)用程序的智能眼鏡；集成3D打印的可穿戴設(shè)備的服裝；印在皮膚上的微型生物傳感器；甚至腦機(jī)接口。計(jì)算機(jī)設(shè)備越來越接近我們的身體，將我們變成半機(jī)械人——賽博格（cyborg）。 第三層是去中心化層。這一層是構(gòu)建元宇宙人與人關(guān)系的重要轉(zhuǎn)折，通過這一層，可以把元宇宙的所有資源更公平的分配。分布式計(jì)算和微服務(wù)為開發(fā)人員提供了一個(gè)可擴(kuò)展的生態(tài)系統(tǒng)，讓他們可以利用在線功能而無需專注于構(gòu)建或集成后端功能。圍繞微交易進(jìn)行優(yōu)化的NFT和區(qū)塊鏈技術(shù)將金融資產(chǎn)從集中控制和托管中解放出來。遠(yuǎn)邊緣計(jì)算將使云以低延遲啟用強(qiáng)大的應(yīng)用程序，而不會給我們的設(shè)備帶來所有工作的負(fù)擔(dān)。 第四層是計(jì)算層。這一層將真實(shí)計(jì)算和虛擬計(jì)算進(jìn)行混合，以消除物理世界和虛擬世界之間的障礙，提供了3D引擎、手勢識別、人工智能等等，都是一些提供算法的企業(yè)。 第五層是創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)層。這一層包含創(chuàng)作者每天用來制作人們喜歡的體驗(yàn)的所有技術(shù)，以去中心化和開放的方式為獨(dú)立創(chuàng)作者提供一整套集成的工具、發(fā)現(xiàn)、社交網(wǎng)絡(luò)和貨幣化功能，使前所未有的人數(shù)能夠?yàn)樗藙?chuàng)造經(jīng)驗(yàn)。 第六層是發(fā)現(xiàn)層。類似于互聯(lián)網(wǎng)的門戶網(wǎng)站和搜索引擎，這一層提供將人們引入新體驗(yàn)的推和拉。這是一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)，也是許多大企業(yè)最賺錢的生態(tài)系統(tǒng)之一。 第七層，也就是頂層，是體驗(yàn)層。這里是用戶直接面對的游戲、社交平臺等。許多人把元宇宙想象成是圍繞我們的三維空間；但元宇宙不必是 3D 或 2D 的，甚至不一定是圖形的；它是關(guān)于空間、距離和物體等物理空間的非物質(zhì)化。 從上述元宇宙的七層架構(gòu)可以看出，元宇宙是個(gè)比數(shù)字孿生更龐大、更復(fù)雜的體系。如果數(shù)字孿生還算是個(gè)復(fù)雜技術(shù)體系的話，元宇宙從一開始就是個(gè)復(fù)雜的技術(shù)-社會體系。兩者有不同的技術(shù)發(fā)展和演化路徑。數(shù)字孿生是起源于復(fù)雜產(chǎn)品研制的工業(yè)化，正在向城市化和全球化領(lǐng)域邁進(jìn)；而元宇宙起源于構(gòu)建人與人關(guān)系的游戲娛樂產(chǎn)業(yè)，正在從全球化向城市化和工業(yè)化邁進(jìn)（圖4）。 圖4 元宇宙和數(shù)字孿生不同的技術(shù)演化路徑 雖然元宇宙和數(shù)字孿生都關(guān)注現(xiàn)實(shí)物理世界和虛擬數(shù)字世界的連接和交互，但兩者的本質(zhì)區(qū)別在于它們的出發(fā)點(diǎn)完全不同。元宇宙是直接面向人的，而數(shù)字孿生是首先面向物的。 雖然Metaverse這個(gè)詞比Digital twin的概念原型的出現(xiàn)早了十年，但數(shù)字孿生技術(shù)體系的成熟度和國際標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展遠(yuǎn)高于或快于元宇宙（圖5）。數(shù)字孿生技術(shù)在經(jīng)歷了技術(shù)準(zhǔn)備期、概念產(chǎn)生期和應(yīng)用探索期后，正在進(jìn)入大浪淘沙的領(lǐng)先應(yīng)用期，即圖5高德納技術(shù)炒作曲線的谷底期；而元宇宙還處于技術(shù)準(zhǔn)備期和概念產(chǎn)生期的早期階段，即圖5高德納技術(shù)炒作曲線左邊爬坡段的起點(diǎn)，還有至少二三十年漫長的技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系、道德和法律監(jiān)管、乃至大國博弈等漫長的道路要走。 圖5 元宇宙和數(shù)字孿生技術(shù)成熟度對比 雖然和VR/AR技術(shù)的親密關(guān)系相比，數(shù)字孿生與元宇宙兩大技術(shù)體系的距離沒那么近，雖然《元宇宙通證》一書給出的元宇宙六大技術(shù)全景圖中壓根兒沒提數(shù)字孿生，但是可以預(yù)見，數(shù)字孿生將很快成為元宇宙技術(shù)體系中的基礎(chǔ)技術(shù)。 像《頭部玩家》、《堡壘之夜》這樣的所謂元宇宙環(huán)境是與現(xiàn)實(shí)空間完全分離的科幻世界。即使它們是以現(xiàn)實(shí)世界為模型的，在元宇宙中發(fā)生的事情不會反映在現(xiàn)實(shí)中，反之亦然。而數(shù)字孿生技術(shù)為元宇宙中的各種虛擬對象提供了豐富的數(shù)字孿生體模型，并通過從傳感器和其他連接設(shè)備收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)字孿生化（物理）對象相關(guān)聯(lián)，使得元宇宙環(huán)境中的虛擬對象能夠鏡像、分析和預(yù)測其數(shù)字孿生化對象的行為，將極大豐富數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場景（從物聯(lián)網(wǎng)平臺到元宇宙環(huán)境）和數(shù)字孿生系統(tǒng)的復(fù)雜程度（從系統(tǒng)級向體系級擴(kuò)展）。 雖然最近元宇宙的概念（股）被爆炒，但它確實(shí)代表了下一代、下下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。加上數(shù)字孿生技術(shù)的加持，兩大技術(shù)體系將在未來第四次工業(yè)革命中相得益彰、大放異彩。 圖6 約翰·惠勒的萬物源自比特 圖7 目前對時(shí)空關(guān)系、現(xiàn)實(shí)和虛擬的一種認(rèn)識（來源：INRS） |
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