元宇宙的发展

郭尚志，廖晓峰，李 刚，唐玉玲

(1.重庆大学 计算机学院，重庆 400030；2.湖南科创信息技术股份有限公司，湖南 长沙 410205)

0 引 言

元宇宙这个词汇最早出现在1992的科幻小说《雪崩》，书中提到了元宇宙，并进行了描述，同时如果要进入元宇宙，另一个关联词是化身，需要以虚拟身份进入虚拟世界，而这个虚拟的世界称之为“元宇宙”。人们通过化身数字化，和现实生活规则一样，通过不断的竞争，获得价值认同[1]。而这部小说可关联到另一部更早的小说《真名实姓》，这些虚拟世界化身的想法很可能受到了《真名实姓》启发，《真名实姓》由美国数学家和计算机专家弗诺·文奇教授于1981年撰写出版。在《真名实姓》还提到了另一种想法，即脑机接口，今天，马斯克正在把这种想法实验在猴子身上。2003年一款游戏叫《Second Life》发布，它在理念上部分解放了现实世界所面临的窘境，快速调整自己的身份，在虚拟世界当中，可以通过拥有自己的分身来实现。2020年由于疫情的原因，人们非接触的时候比以往的时间变得更长，推动了虚拟化技术的快速发展[2]。2021年，元宇宙快速发展，Soul推出了社交元宇宙App，与此同时，最大的软件巨头微软也正在打造一个企业级的元宇宙[3]；芯片界的大佬英伟达推出元宇宙基础计算平台；脸书(Facebook)更加激进，把公司名字直接改为(Meta)；虚拟世界平台Decentraland公司发布消息，巴巴多斯将在元宇宙设立全球首个大使馆，全球首款AI人工智能数字皮影藏品登录元宇宙[4]；国内的海尔公司作为制造业的龙头，提出智造元宇宙，涵盖工业互联网、人工智能、增强现实、虚拟现实及区块链技术，实现智能制造物理和虚拟融合，融合“厂、店、家”跨场景的体验，实现了消费者体验的提升[5]。互联网公司字节跳动宣布收购VR创业公司Pico；百度作为国内最大的搜索提供商，推出元宇宙应用“希壤”[6]。2022年，索尼(Sony)宣布了下一代虚拟现实头盔(PS VR2)的新细节，以及一款适配PS VR2的新游戏[7]。高通技术公司在2022年国际消费电子展(CES)上宣布与微软合作，扩展并加速AR在消费级和企业级市场的应用。双方对元宇宙的发展充满信心，微软公司正与高通公司展开合作，提供整个体系的发展，提供定制化的AR芯片，解决AR眼镜过重的问题，提供更轻便的AR眼镜，使人们更好地感知未来的世界，同时提供配套的开发软件接口，供开发者针对AR眼镜提供更好的应用[8]。Facebook母公司Meta宣布，其第一家“元宇宙”实体店将于5月开业，消费者可以在那里试用和购买虚拟现实(VR)头显和其他设备。

1 元宇宙

1.1 元宇宙的定义

北京大学陈刚教授、董浩宇博士这样定义元宇宙：“元宇宙是利用科技手段进行链接与创造的，与现实世界映射与交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间[9]。”清华大学新闻学院沈阳教授这样定义元宇宙：“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，以及数字孪生技术生成现实世界的镜像，通过区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和编辑[10]。”同时，也有学者的观点是多维交叉的角度定义元宇宙。从时空性来看，元宇宙是一个空间维度上虚拟而时间维度上真实的数字世界；从真实性来看，元宇宙中既有现实世界的数字化复制物，也有虚拟世界的创造物；从独立性来看，元宇宙是一个与外部真实世界既紧密相连，又高度独立的平行空间；从连接性来看，元宇宙是一个把网络、硬件终端和用户囊括进来的一个永续的、广覆盖的虚拟现实系统[11]。与现实世界平行、反作用于现实世界、多种高技术综合，是未来元宇宙的三大特征。认为元宇宙主要是对现实的虚拟与数字化的过程。在这个要求下，提出相对应的技术支撑，基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑[12]。

元宇宙方兴未艾，上面的很多观点或定义多数考虑从现实如何虚拟到其他宇宙，没有从更广阔角度来考虑元宇宙的发展，或者受制于今天的技术发展。元宇宙从中国的探月成功，到马斯克火星飞船与猴子的脑机实验，人类的想象力驱动着科技工作者不断向前，走向更深远的未来，科技的发展如果按平面坐标轴来表达，纵轴为现实，横轴为虚拟，在纵、横轴之间就是N1与N+1宇届混合，即为未来的发展方向。这里基于客观角度科技发展的趋势，主观角度人类自我发展的内在驱动，提出元宇宙新的定义：“在众多创新科学技术发展下，生物体在N平行宇宙无差别的感知和无缝活动、工作、生活的世界。”N1宇宙即实现宇宙，N+1即可以是N1的复制融合，也可以是一个全新的宇宙。新概念下元宇宙发展将经历三个阶段，即虚拟阶段、物机互融阶段、N平行宇宙阶段。下面对三个阶段进行阐述，同时对各阶段需要支撑的科学技术要求进行说明。

1.2 元宇宙发展的三个阶段

1.2.1 虚拟阶段

虚拟阶段是元宇宙发展的初级阶段，这一阶段主要是创新N+1宇宙，把N1宇宙的生物、植物、真实环境时段虚拟化至N+1宇宙。主要有以下几项重要技术(见图1)：一是扩展现实技术，包括VR和AR。扩展现实技术可以提供沉浸式的体验，可以解决手机解决不了的问题；二是数字孪生，能够把现实世界镜像到虚拟世界里面去。这也意味着在元宇宙里面，可以看到很多自己的虚拟分身；三是采用区块链来搭建经济体系，随着元宇宙进一步发展，对整个现实社会的模拟程度加强，在元宇宙当中可能不仅仅是在花钱，而且有可能赚钱，这样在虚拟世界里同样形成了一套经济体系[13]；四是人工智能技术，计算机学科一个重要分支，人工智能技术在近几年大放光彩，尤其是机器学习，深度学习在机器视觉、图像识别、自动驾驶、智能推荐、智能机器等领域取得可喜的成绩，以大数据、算力，算法为基础，作为人类智慧的延伸，深入到社会各行各业。也成为了元宇宙的重要基石；五是物联网技术，物联网通过各个终端传感器，在无线网中传输数据，把万物互联起来，通过大数据对运行的设备进行管控，提升各个行业的管理水平，发现过去无法聚合的事物特点。通过定位、发现、支撑、安全、管控、报表、领导智能驾驶舱等方式，完成对整个产业链条的监控，同时和人工智能结合起来，提供决策分析的能力，更好地服务产业发展；六是娱乐技术，通过3D建模、实时渲染等方式提供逼真的虚拟空间。六个重要技术是元宇宙虚拟阶段从N1宇宙投影到N+1宇宙的重要底座。

图1 虚拟阶段的主要技术

目前元宇宙比较好的体现是在游戏娱乐行业，随着技术不断发展，在工业、娱乐、消费、社交等方面都会得到充分的发展，人类整个生活都将真实投影到虚拟的世界中。元宇宙的爆火，以及对未来的影响，大家欣喜的同时，也应该更加理智地去看待，比如：数据安全、技术限制、金融服务监管、知识产权保护等等，随着各项制度、法律的完善，元宇宙的实现或将开启互联网的全真时代。随着脸书公司(Facebook)更名为Meta，马克·扎克伯格让许多人将Oculus和元宇宙画上了等号，认为元宇宙就是一个可以通过VR头戴设备和遥控器进入的虚拟空间。的确，对于一些特定的用途，Oculus可以发挥作用，让元宇宙大放异彩。比如VR头戴设备可以模拟特殊环境(离岸石油平台、核电站等人类难以接近的空间)开展职业技能培训，也可以让用户在云端逛博物馆，欣赏动人的艺术展和科技展。让数十亿社交媒体用户、市面上还有许多第三人称视角的元宇宙，只要利用现有的设备就能轻松访问，比如Manzalab实验室专为企业和培训机构开发的Teemew元宇宙。甚至诸如GatherTown平台的二维虚拟空间也算是一种元宇宙。GatherTown的画风参照了复古的像素游戏，用户可自由设计二维空间，当两个与会者在屏幕上擦肩而过时，视频聊天框就会立刻弹出。这些小规模平台早已实现远程交互所需要的功能。

目前还在虚拟阶段的初期，只是通过一些辅助设备进入同一个世界的元宇宙是不太可能的，因为在头戴设备的生产、成本、舒适度和平台的互通性等方面，还有些技术难题需要突破。相较于早已适应的移动物联网，元宇宙在虚拟阶段还需要发展相当长的时间。

1.2.2 物机互融阶段

物机互融阶段是对生物自身视觉、听觉、触觉、味觉等融入到N+1宇宙，与N1宇宙几乎无差别的感知能力。这个阶段是对生物自我扩展的过程，依赖于以下几项关键的技术：一是超微芯片技术，超微芯片技术发展，可以理解为触觉、视觉、味觉、意识接口的一个重要环节，通过超微芯片的发展可以联络生物在N+1世界的无差别的感知能力。二是医学技术高度发展，医学技术的发展，对于上面提到的超微芯片植入如同打针一样简单，植入变得自然而然。三是无线漫游供电技术，无线漫游计算解决漫游供电能力，为超微芯片提供无所不在的供电能力。四是超级无线网络技术，目前的带宽无法支撑生物、环境无缝接入，高速不间断传输切换的要求，需要大力发展超级无线网络技术。

马斯克的猴正在快乐地打着游戏，猴子也许代表着一个新的时代的开始。2022年马斯克在一次访谈中表示，旗下的公司NeuraLink制造的脑机接口将开始植入人体[14]，马斯克的脑机接口是什么？NeuraLink放出了一段短视频，演示了脑机接口的工作过程，这是一只叫做Peter的猴子，正在一边喝着香蕉奶昔，一边用操纵杆玩游戏，它的大脑植入了NeuraLink的脑机接口芯片，这个芯片可以方便地跟手机进行配对，就像配对一个蓝牙耳机一样，配对之后，猴子的脑电波就可以被记录。首先，要对脑机接口进行校准；接着，就可以对猴子的行为进行学习和预测，这个预测可是一个不容忽视的功能，脑机接口不仅仅是一个被动的设备，而且还能预测出将要做出的动作，脑机接口校准之后，游戏就完全可以由脑机接口进行控制，游戏手柄的连接线已经被断开，这时候猴子以为游戏是在自己的掌控当中，其实已经完全被脑机接口接管。NeuraLink的芯片只有一枚硬币的大小，它有1 024根相当于神经的电级，使用一台被称作缝纫机的机器人精确地植入大脑，支持无线充电。马斯克说到：2022年的脑机接口将主要应用于瘫痪患者，让那些无法行走或者没有办法使用手臂的人再次恢复行动的能力；其次，也允许人类进一步扩展能力想象空间，按照马斯克的时间表，十年内人与人之间就可以通过脑机实现心灵感应，意识交流，不用说话直接脑信号交流。

科学界对脑机接口的研究可以追溯至20世纪70年代。1973年，美国加州大学洛杉矶分校的Jacques J. Vidal首次在科学文献中提出“脑机接口”这一专业术语[15]，同时提出了一个关键问题：能否将可观测的脑电信号用作人机通信中的信息载体或控制诸如假肢或宇宙飞船之类的外部设备？由此至今，对脑机接口的相关研究已经进行了近50年，中国信通院将这50年中脑机接口技术的发展归纳为以下三个阶段：阶段一：1970年至1980年初期，科学幻想阶段。这一阶段，受限于技术条件，脑机接口研究并未取得明显进展。阶段二：1980年至1990年末，科学论证阶段。脑机接口开始有了明确性进展，业界开始出现各种脑机接口系统。比如美国和欧洲的研究者都开发出了基于感觉运动节律的脑机接口系统；Gert Pfurtscheller等人开发了另一种基于感觉运动节律的脑机接口；ErichE.Sutter提出了一种高效的基于视觉诱发电位的脑机接口系统。阶段三：21世纪至今，技术爆发阶段。这一阶段，业界开始聚焦于实现脑机接口的技术路线，发展各种各样的技术方法，以推动脑机接口的应用。除了研究的规模和范围急剧扩大之外，脑机接口的快速发展也促进其他领域的发展，如人机交互、智能系统、工效学等。目前，脑机接口的潜在应用领域已经远远超出临床医学，拓展到情绪识别、虚拟现实和游戏等非医学领域。在这一过程中，脑机接口在技术层面也演化出了不同的分类方法，背后的原理基础都是神经科学。

国内脑机接口仍处于爆发前夜。国内对脑机接口技术领域的研究最早可追溯到20世纪90年代，清华大学创建了基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口新范式，目前是无创脑机接口三种主要范式之一。2014年以后，各地开始陆续出台脑科学、人工智能相关政策，加速了对脑机接口的研究。比较重要的一个文件是，2017年，四部委联合印发了《“十三五”国家基础研究专项规划》，明确提出了脑与认知、脑机智能、脑的健康三大核心问题[16]。人类虽然已开始涉猎至物机互融领域，但是和元宇宙的第二阶段的要求还相差甚远，需要第一阶段的铺垫与融入场景和第二阶段融合起来，提供整体解决方案。

物机融合阶段如图2所示。

1.2.3 N平行宇宙阶段

平行宇宙是把N1、N+1统一融合起来，N1宇宙中的生物可以无差别感知，无缝工作、生活于这个平行宇宙宏大世界中。依赖的关键技术主要有：一是超级ID身份安全认证技术，每个N1宇宙的生物、关联环境都是唯一的超级ID，为在平行宇宙中识别的唯一代码；二是无所不在可分类超级云服务和微云服务、超级云计算和边缘计算，为每个生物回忆、意识提供上传、存储、备份、高速计算能力，当所有生物都接入到云计算中心时，需要强大的算力才能完成；三是意识、记忆编辑技术，当ID在任何平行宇宙中工作、生活时都会根据宇宙本身的形态，自动植入相关的与N1宇宙无差别的环境因素，ID自身无法区分在是在N1或N+1宇宙，社会形态的管理、安全、规则、法制从N1无缝延伸至N+1宇宙。在N平行宇宙中，生物随时随地穿梭于其中，工作、生活、遵守规则与边界，与N1没有任何区别；四是超级人工智能，人工智能算法更进一步，可以更智能地营造各种生物活动场景，提前预测可能发生的，更智能的记忆整合能力；五是超级云存储，记忆、环境、时间轴所有时空环境、活动无缝在N平行宇宙移动，需要强大的存储能力。2022年7月，马斯克又有惊人动作，对外宣布已经成功将自己的大脑上传到云端，并且与虚拟版的“自己”进行了交流。

图2 物机融合阶段

N平行宇宙如图3所示。

2 示 例

以一个S在N1宇宙中编程为例，工作是编写代码，如图4所示。场景需要敲击键盘，看屏幕，可能会拿起旁边温暖的咖啡杯喝两口。

当S处在虚拟阶段时，在N1宇宙中的键盘、屏幕下进行编程工作。工作场景键盘、屏幕、周边环境无缝地被真实投影到N+1宇宙中，S可以在N+1宇宙中根据真实投影的内容继续工作，也清楚地知道自己在一个虚拟的环境中工作，同是也知道键盘、屏幕、咖啡杯是投影出来的，无法感知到键盘对手指的反馈、也无法感觉到咖啡杯的温暖。

当S处在物机互融阶段时，S在N+1宇宙可以清楚感觉到自己敲击键盘反馈与N1无任何区别，甚至端起旁边的咖啡杯时，也能感觉咖啡杯的温度，试图喝两口，味觉同样感受到咖啡的那种苦中带涩丝滑(其实什么也没有喝)。S也清楚知道自己处在一个虚拟环境中，当从N+1宇宙中切换出时，咖啡杯里面咖啡一滴都没有少。

当S处在N平行宇宙时，S从N1进N+1宇宙时，N+1宇宙会有提醒是否保留这段进入的记忆以及在N1与N+1宇宙的无法完全同步的内容(N1宇宙咖啡减少问题)，如果不保留，那么在上面场景中，N+1宇宙中就是通过记忆编辑技术，以及上面提到的无所不在可分类超级云服务和微云服务、超级云计算和边缘计算等技术，自动处理S的记忆，随时同步。当S从N+1宇宙脱离至N1宇宙时，是的，那都是真的(S在N+1宇宙中尝试喝咖啡的经历似乎从来都没有发生过)，当然在这种场景下，N+1宇宙会根据S自己的能量水平，定时让S脱离N+1宇宙。S在N平行宇宙的工作、生活、消费所有一切都是无缝、无差别的，一个N平行宇宙组成的世界。

图4 各阶段示例

3 结 论

3.1 科学技术的应用沿着两个轴与夹角发展

如果把科学技术发展放在一个平面坐标系中，纵轴是实体，横轴为虚拟。科学技术向实体发展，就是探索这个N1宇宙，可能会乘坐星际飞船去火星、月球等旅行，甚至更远更广袤的宇宙深处。如中国的登月飞船、马斯克的SpaceX、贝索斯的蓝色起源；科学技术向虚拟发展，人类梦想的无限放大，扩展人类想象空间。在横轴与纵轴之间人类可以创建无数的融合N+1宇宙，借助科技的力量，创建一个全新的世界，你既可以在N1宇宙里面乘坐马斯克的SpaceX到火星上旅游，也可以在N+1宇宙里提供火星旅行的供应商去火星旅行，在元宇宙发展第三阶段时，这两种方式都无差别记录在你的记忆中，都是一样的真实。

3.2 人类自我的内驱力改造世界的诉求

人类对这个世界的好奇心，对自身迭代的不满足，促使人类渴望更远的未来。在科技的助力下，不断提升自我认知，加速认识。创新一个未来的虚实无缝切换的全新空间，全新的革命性的工作、生活规则。在这个世界中，每个生物一出生即获得唯一的数字ID，无感的通行于若干的宇宙，如在N1宇届一样的自然，一个自我否定、自我重新认知的全新数字化、智能化的新空间。人类从不缺乏想象力，想象力是科学技术发展的催化剂。如果人类有可能向这个方向发展，掌握这个新的世界的入口至关重要，需要提早布局，无论是科学技术的布局，还是法律法规。

4 结束语

随着科技的飞速发展，人类对这个世界的改造和追求，元宇宙从早期的概念不断发展，实现虚拟现实的用武之地，让其发挥价值、吸引投资，同时疫情让VR、AR大放异彩[17]。元宇宙最终走向哪里，需要每个人去不断探索、思考，人类的想象力是科学技术发展的助推剂，科学技术的发展而又让人出乎意料[18]。上面提及的概念及发展阶段仅是一种可能性，希望可为元宇宙的发展带来一些启示，并对可能产生的结果在社会、管理、法规、法律上提早布局，使其在一个良性环境中发展。