四、元宇宙的核心技術(shù)

有個(gè)短視頻里面有這么一段描述，如果我們不斷剝洋蔥，希望通過(guò)這種方式找到洋蔥的心，那么我們最后會(huì)發(fā)現(xiàn)洋蔥其實(shí)是“沒(méi)有”心的。

其實(shí)，我們一步步剝開(kāi)的那些部分，就是洋蔥的心。

因此，如果我們要回答“什么是元宇宙”“什么是元宇宙中的數(shù)字經(jīng)濟(jì)社會(huì)”，那么我們前文描述的這些內(nèi)容就是元宇宙，就是元宇宙的數(shù)字經(jīng)濟(jì)社會(huì)。其中包括構(gòu)建元宇宙的一切歷史、技術(shù)、制度、生態(tài)和基礎(chǔ)。

元宇宙是利用科技手段進(jìn)行連接與創(chuàng)造的與現(xiàn)實(shí)世界映射和交互的虛擬世界。元宇宙是綜合運(yùn)用多種高科技的具備新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間， 與現(xiàn)實(shí)世界平行，并反作用于現(xiàn)實(shí)世界。

對(duì)元宇宙的紀(jì)年來(lái)說(shuō)，我們現(xiàn)在尚屬于元宇宙的史前時(shí)代。

故而，元宇宙的建設(shè)將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，如果考察農(nóng)業(yè)社會(huì)和工業(yè)社會(huì)的建設(shè)過(guò)程，我們可以認(rèn)為元宇宙的建設(shè)至少需要300年的歷程。

元宇宙建成之時(shí)，也是我們整個(gè)人類(lèi)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)建設(shè)完成一個(gè)階段目標(biāo)的時(shí)候。

元宇宙的數(shù)字經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的依存度，將嚴(yán)重依賴(lài)如下五項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我們可以稱(chēng)之為元宇宙依賴(lài)的五項(xiàng)核心技術(shù)。

一是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)，包括VR和AR。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供沉浸式體驗(yàn)。VR、AR的缺點(diǎn)是無(wú)法通過(guò)設(shè)備模擬真實(shí)的知覺(jué)、體感、直覺(jué)等必要的生理反應(yīng)，而腦機(jī)接口可以控制大腦神經(jīng)，發(fā)送電信號(hào)以達(dá)到模擬真實(shí)感覺(jué)的效果，并由此創(chuàng)造沉浸式的元宇宙環(huán)境。這樣的腦機(jī)接口技術(shù)，是不是元宇宙的一種解決方案，我們可以拭目以待。

二是數(shù)字孿生，能夠把現(xiàn)實(shí)世界映射到數(shù)字世界里面去，并建立一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界互動(dòng)、相互作用的孿生世界。

三是區(qū)塊鏈技術(shù)。我們?cè)谠钪娈?dāng)中不僅僅可以花錢(qián)，也可以賺錢(qián)。數(shù)字世界里同樣有經(jīng)濟(jì)體系，UGC的表達(dá)將進(jìn)一步增強(qiáng)，并且將面臨AIGC的 競(jìng)爭(zhēng)。

四是算力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如量子計(jì)算機(jī)。這樣3D實(shí)時(shí)渲染游戲才能模擬輝煌、龐大的宇宙數(shù)據(jù)并且不會(huì)出現(xiàn)卡頓。

五是存儲(chǔ)能力更強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。在元宇宙里面，我們既依賴(lài)大量的數(shù)據(jù)，又產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，幾乎等同于過(guò)去幾十年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。我們現(xiàn)在無(wú)法看到地球漫長(zhǎng)的歷史，但我們以后將可以隨時(shí)回訪(fǎng)元宇宙的數(shù)字世界。

在不同的發(fā)展階段，元宇宙需要的技術(shù)是不一樣的。

初級(jí)階段：元宇宙以游戲的形式出現(xiàn)，通過(guò)大型的沙盒引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的元宇宙應(yīng)用。

過(guò)渡階段：元宇宙以VR、AR相關(guān)的技術(shù)為主，通過(guò)視覺(jué)沉浸方式，優(yōu)化元宇宙的應(yīng)用。

沉浸階段：腦機(jī)接口技術(shù)普及，可以通過(guò)電信號(hào)模擬使大腦接收到不同畫(huà)面的信號(hào)，通過(guò)控制神經(jīng)及大腦使使用者在睡眠時(shí)在元宇宙中進(jìn)行一系列行為體驗(yàn)。

但人類(lèi)本已經(jīng)無(wú)障礙地沉浸在現(xiàn)實(shí)世界里面了，人類(lèi)真的還需要另外一個(gè)無(wú)限接近現(xiàn)實(shí)世界的沉浸式數(shù)字世界嗎？

因此，沉浸式體驗(yàn)并不是元宇宙發(fā)展的最終目標(biāo)，人類(lèi)在現(xiàn)實(shí)世界不能獲得的，或者說(shuō)不能經(jīng)常性、持續(xù)性獲得的體驗(yàn)，將是元宇宙發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)。

1.擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality），簡(jiǎn)稱(chēng)XR，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)將真實(shí)與虛擬相結(jié)合，打造一個(gè)人機(jī)交互、虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)縫轉(zhuǎn)換的“沉浸感”環(huán)境，這也是AR、VR、MR等多種技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。在2020年突如其來(lái)的疫情暴發(fā)后，XR技術(shù)助力演唱會(huì)、慶典、品牌發(fā)布會(huì)等活動(dòng)在線(xiàn)上舉辦。

線(xiàn)上直播演出與XR技術(shù)結(jié)合，在現(xiàn)階段主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式。

第一種是搭建全虛擬環(huán)境。相關(guān)人員在綠幕背景下開(kāi)展活動(dòng)，技術(shù)人員通過(guò)技術(shù)手段將綠幕背景換成設(shè)計(jì)好的虛擬的視覺(jué)場(chǎng)景，最終生成觀(guān)眾看到的圖像。

第二種是在真實(shí)的演出場(chǎng)景中將已制作好的圖像與真實(shí)的圖像合成，疊加視覺(jué)效果。

XR應(yīng)用在直播演出中需要具備大寬帶和低時(shí)延特性的5G網(wǎng)絡(luò)支持，需要更大的數(shù)據(jù)傳輸量與實(shí)時(shí)互動(dòng)，需要性能更強(qiáng)的設(shè)備能夠支持即時(shí)影像 處理。

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是利用VR設(shè)備模擬產(chǎn)生一個(gè)三維的虛擬空間，提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等模擬的感官體驗(yàn)，讓使用者如同身歷其境。簡(jiǎn)而言之，VR能夠產(chǎn)生“無(wú)中生有”的效果。用戶(hù)在使用VR技術(shù)時(shí)只能體驗(yàn)到虛擬世界，無(wú)法看到自己所處的真實(shí)環(huán)境。

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是VR的延伸，能夠把計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息，比如物體、圖片、視頻、聲音、系統(tǒng)提示信息等疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，并與人互動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，AR能夠產(chǎn)生“錦上添花”的效果。用戶(hù)在使用AR技術(shù)時(shí)既能看到現(xiàn)實(shí)世界，又能看到虛擬事物。

隨著AR技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在有一些共性的AR技術(shù)要求：①達(dá)到與視網(wǎng)膜視覺(jué)相當(dāng)?shù)姆直媛剩虎谌搜勰軌驅(qū)μ摂M物體進(jìn)行自然對(duì)焦，具體來(lái)說(shuō)就是用戶(hù)可以自由切換畫(huà)面中任意距離上的物體的焦點(diǎn)，并能夠識(shí)別相應(yīng)的景深； ③能夠補(bǔ)償鏡片造成的光學(xué)失真；④支持HDRI（High Dynamic Range Imaging，高動(dòng)態(tài)范圍成像），能夠覆蓋更廣的色彩和支持更高的對(duì)比度。

（3）混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶(hù)之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)的真實(shí)感。混合現(xiàn)實(shí)包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬，通過(guò)合并現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界而產(chǎn)生新的可視化環(huán)境。在新的可視化環(huán)境里，物理對(duì)象和數(shù)字對(duì)象共存，并實(shí)時(shí)互動(dòng)。

混合現(xiàn)實(shí)需要在一個(gè)能與現(xiàn)實(shí)世界各事物交互的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。如果一切事物都是虛擬的，那就是VR的領(lǐng)域了；如果展現(xiàn)出來(lái)的虛擬信息只能簡(jiǎn)單疊加在現(xiàn)實(shí)事物上，那就是AR的領(lǐng)域了。MR的關(guān)鍵就是虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互和及時(shí)獲取信息，MR技術(shù)能讓人們同時(shí)保持與現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界的聯(lián)系，并根據(jù)自身的需要及具體情況調(diào)整操作，類(lèi)似“超次元”。

混合現(xiàn)實(shí)可以用公式表示：

MR=VR AR=現(xiàn)實(shí)世界 虛擬世界 數(shù)字化信息

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MR技術(shù)就是AR技術(shù)與VR技術(shù)的完美融合以及升華，虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)，人們不再局限于現(xiàn)實(shí)世界，從而獲得前所未有的體驗(yàn)。

混合現(xiàn)實(shí)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、教育、展覽、娛樂(lè)、地產(chǎn)、醫(yī)療等行業(yè)，并在營(yíng)銷(xiāo)、運(yùn)營(yíng)、物流、客戶(hù)服務(wù)等多個(gè)環(huán)節(jié)得到充分應(yīng)用。混合現(xiàn)實(shí)涵蓋計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的范圍，與人工智能和量子計(jì)算（Quantum Computing，QC）被認(rèn)為是將在未來(lái)顯著提高生產(chǎn)率和體驗(yàn)的三大科技。隨著科技迭代和發(fā)展，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)高速發(fā)展，各行各業(yè)都將大規(guī)模應(yīng)用MR技術(shù)。“MR 教育”“MR 金融”“MR 工業(yè)”等已經(jīng)擁有了諸多成功的落地場(chǎng)景。

我們當(dāng)前理解的“MR X”就是元宇宙。

談到擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，我們還必須將視線(xiàn)轉(zhuǎn)到腦機(jī)接口上。

（4）腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術(shù)是指通過(guò)在人腦神經(jīng)與具有高生物相容性的外部設(shè)備間建立直接連接的通路，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)和外部設(shè)備間信息交互與功能整合的技術(shù)。

這意味著，人與機(jī)器的主要交互方式，除了手工輸入、人工智能語(yǔ)音、頭戴式XR設(shè)備交互之外，還可以直接通過(guò)大腦向機(jī)器發(fā)指令。

目前的腦機(jī)接口技術(shù)可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是侵入式技術(shù)，比如在大腦中植入芯片；另一類(lèi)是非侵入式技術(shù)，比如戴上可以采集腦電波的頭盔或帽子。腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展速度也有類(lèi)似于芯片領(lǐng)域的“摩爾定律”的規(guī)律， 其主要技術(shù)性能指標(biāo)每三年翻一番。縱觀(guān)全球，Meta、谷歌、亞馬遜，以及埃隆·馬斯克旗下的Neuralink（神經(jīng)連接）公司等科技巨頭都在積極布局腦機(jī)接口領(lǐng)域。

腦機(jī)接口將設(shè)備獲得的大腦信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，再通過(guò)信號(hào)處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)建立一個(gè)關(guān)于大腦發(fā)出的不同指令的模型，對(duì)大腦信號(hào)進(jìn)行解碼。這樣，人的意圖就被傳遞給計(jì)算機(jī)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)將信號(hào)發(fā)送給其他設(shè)備。比如因“漸凍癥”失去運(yùn)動(dòng)能力的患者可以通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)操縱輪椅移動(dòng)到他想去的地方。

腦機(jī)交互是人機(jī)交互的終極手段，可以幫助殘疾人恢復(fù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感知功能，讓他們獲得運(yùn)動(dòng)能力，提高殘疾群體的基本行為能力；幫助患有阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的群體改善認(rèn)知能力；讓正常人更加高效地工作、更加健康地生活，做一些我們目前還不能做到的事。

2016年，荷蘭烏特勒支大學(xué)的研究人員通過(guò)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，成功地使一位因“漸凍癥”而失去運(yùn)動(dòng)能力乃至眼動(dòng)能力的患者利用意念在計(jì)算機(jī)上打字，準(zhǔn)確率達(dá)到95%，這使侵入式腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用水平向前邁了一大步。

2019年7月17日，埃隆·馬斯克召開(kāi)發(fā)布會(huì)，宣布Neuralink公司的腦機(jī)接口技術(shù)獲重大突破，他們已經(jīng)找到了高效實(shí)現(xiàn)腦機(jī)對(duì)接的方法。

Neuralink公司公布的最新技術(shù)成果徹底引爆了外界對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)的關(guān)注。腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，比如可以幫助人們直接通過(guò)思維來(lái)控制基于腦機(jī)接口技術(shù)研發(fā)的機(jī)器人，從事各種工作。基于腦機(jī)接口技術(shù)研發(fā)的機(jī)器人不僅在殘疾人康復(fù)、老年人護(hù)理等醫(yī)療領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)， 而且在教育、軍事、娛樂(lè)、智能家居等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。

腦機(jī)接口作為一種全新的控制和交流方式，還可以應(yīng)用到更廣闊的腦機(jī)融合領(lǐng)域，就是所謂的“硅基生物”和“碳基生物”融合，打造“超強(qiáng)人類(lèi)”，讓人腦的功能得到進(jìn)一步延伸。

腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展對(duì)腦電波機(jī)理、腦認(rèn)知、腦康復(fù)、信號(hào)處理、模式識(shí)別、芯片技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域都提出了新的要求。人們也由此大大加深了對(duì)大腦結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)。隨著技術(shù)不斷完善和多學(xué)科融合，腦機(jī)接口必將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，造福人類(lèi)。

因此，在元宇宙里面，創(chuàng)造力和想象力是我們必不可少的能力。

2.數(shù)字孿生

如果說(shuō)XR技術(shù)解決的是人和元宇宙關(guān)系的問(wèn)題，那么數(shù)字孿生解決的就是物和元宇宙關(guān)系的問(wèn)題。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等信息，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，可在虛擬空間——元宇宙中完成現(xiàn)實(shí)世界的物理映射，形成物理維度上的現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)據(jù)維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的格局。數(shù)字孿生“橋接”了現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界。

密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授于2002年首次提出了數(shù)字孿生的概念。他認(rèn)為，通過(guò)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)設(shè)備的生命周期中都聯(lián)系在一起的。最早將這種理念付諸實(shí)踐的則是NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局），其為實(shí)施阿波羅計(jì)劃開(kāi)發(fā)了一套極其完整、高精度的模擬仿真系統(tǒng)。這套由多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成的龐大系統(tǒng)包含了阿波羅載人登月飛船的所有核心部件，可以用于培訓(xùn)宇航員、模擬多種故障場(chǎng)景處理等。

2014年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具備了智能化的特征，數(shù)字孿生的應(yīng)用也逐步擴(kuò)展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期。數(shù)字孿生的形態(tài)和概念也不斷豐富。

數(shù)字孿生集成了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）等技術(shù)， 將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立物理對(duì)象的虛擬映射，在問(wèn)題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)控虛擬模型中物理對(duì)象的變化，開(kāi)展基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復(fù)雜處理與異常分析，并預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，合理、有效地規(guī)劃生產(chǎn)， 并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

隨著越來(lái)越多的設(shè)備為數(shù)字孿生集成，數(shù)字孿生不僅連接一臺(tái)設(shè)備，而且將設(shè)備的工作進(jìn)程和操作員的信息結(jié)合起來(lái)，這有助于提高系統(tǒng)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

數(shù)字孿生還可連接由多臺(tái)設(shè)備組成的系統(tǒng)，比如組織系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)， 乃至城市系統(tǒng)、地球系統(tǒng)。

受數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)律約束，企業(yè)也會(huì)采取數(shù)字化的手段來(lái)加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，提高開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)的有效性，提高企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境的開(kāi)放性，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，推出定制化產(chǎn)品，同上下游建立起協(xié)同的“生態(tài)環(huán)境”。

智能系統(tǒng)的“智能”首先體現(xiàn)在感知、建模，然后才體現(xiàn)在分析、推理。這種數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)會(huì)非常困難，因?yàn)檫@與沿用了幾十年的基于經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造理念相去甚遠(yuǎn)。

在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，依靠數(shù)字孿生，設(shè)計(jì)人員既不需要依賴(lài)實(shí)際樣品就可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念，也不需通過(guò)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，更不需要進(jìn)行小批量試制就可以直接預(yù)測(cè)生產(chǎn)的瓶頸，甚至不需要去現(xiàn)場(chǎng)就可以洞悉銷(xiāo)售給客戶(hù)的產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行情況。

在醫(yī)院中，醫(yī)生可以使用數(shù)字孿生技術(shù)，利用傳感器監(jiān)控患者狀態(tài)并協(xié)調(diào)設(shè)備和人員，運(yùn)用一種更好的方法來(lái)分析流程、降低操作成本、預(yù)測(cè)和預(yù)防突發(fā)情況，從而挽救更多的生命。

在建筑運(yùn)營(yíng)中，數(shù)字孿生將安防系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)集成在一起，以綜合決策，優(yōu)化工作流程并遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而提高住戶(hù)的舒 適度。

工業(yè)軟件研發(fā)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)積累的大量工業(yè)技術(shù)和知識(shí)，都是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的上好“原料”和基礎(chǔ)構(gòu)件。2018年，美國(guó)通用電氣（GE）公司宣稱(chēng)已為其生產(chǎn)的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、核磁共振儀都創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體。這些仿真的數(shù)字化模型可以在虛擬空間被調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，這樣就能夠讓實(shí)體機(jī)器達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

數(shù)字孿生除了可以預(yù)見(jiàn)關(guān)鍵安全事件的系統(tǒng)響應(yīng)，通過(guò)與實(shí)體的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，揭示裝備研制中存在的未知問(wèn)題外，還可以通過(guò)激活系統(tǒng)的自愈機(jī)制，或者建議更改任務(wù)參數(shù)來(lái)減輕設(shè)備損耗，或者通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率來(lái)提高系統(tǒng)的使用壽命和執(zhí)行任務(wù)的成功率。

數(shù)字孿生在新材料研發(fā)、自然環(huán)境研究、人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)研究等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。

工業(yè)界提出了數(shù)字孿生的概念，并將其應(yīng)用于汽車(chē)制造、飛機(jī)制造等領(lǐng)域。但現(xiàn)在，數(shù)字孿生有了更廣泛的應(yīng)用，從工業(yè)范圍內(nèi)的數(shù)字孿生走向城市范圍內(nèi)的數(shù)字孿生，數(shù)字孿生將面臨更加復(fù)雜的局面。

現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的互動(dòng)正在不斷加強(qiáng)，新的技術(shù)路徑正在形成，人類(lèi)社會(huì)正在向數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字文明轉(zhuǎn)型。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)和德國(guó)均提出了CPS，其目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的交互融合，通過(guò)新一代信息技術(shù)在虛擬世界仿真分析和預(yù)測(cè)，以最優(yōu)的結(jié)果驅(qū)動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行。數(shù)字孿生的本質(zhì)就是在虛擬世界對(duì)現(xiàn)實(shí)世界等價(jià)互動(dòng)。數(shù)字孿生成為實(shí)現(xiàn)CPS的最佳技術(shù)，并收斂和集成于元宇宙之中。

數(shù)字孿生最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋，這是人類(lèi)逆向思維的壯舉。人們?cè)噲D將現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生的一切在數(shù)字空間中同步進(jìn)行，只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期。這樣，我們也才可以真正在全生命周期范圍內(nèi)保證虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界協(xié)調(diào)一致。數(shù)字孿生的盡頭，就是現(xiàn)實(shí)世界延伸出的數(shù)字空間—— 元宇宙。

3. 量子計(jì)算

元宇宙的一切都離不開(kāi)算力的支持。

小至手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)，算力存在于各種智能硬件設(shè)備中。算力的核心在芯片，沒(méi)有芯片就沒(méi)有各種軟硬件的正常應(yīng)用。每一次人臉識(shí)別，每一次語(yǔ)音、文字轉(zhuǎn)換，都需要算力支持。

算力的大小代表著我們處理數(shù)字化信息能力的強(qiáng)弱，從原始社會(huì)的手動(dòng)計(jì)算，到古代的機(jī)械計(jì)算，再到現(xiàn)代的電子計(jì)算、數(shù)字計(jì)算，算力代表了人類(lèi)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，也代表了人類(lèi)智慧的發(fā)展水平。因?yàn)槭褂昧顺?jí)計(jì)算機(jī)，電影《阿凡達(dá)》的后期渲染只用了一年的時(shí)間，而如果用普通計(jì)算機(jī)的話(huà)則需要一萬(wàn)年。

算力之于元宇宙就如同水利工程之于農(nóng)業(yè)時(shí)代、電力之于工業(yè)時(shí)代，算力是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和核心生產(chǎn)力。“新摩爾定律”指出，每經(jīng)過(guò)18個(gè)月，人類(lèi)新增存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是有史以來(lái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量總和。超大規(guī)模的數(shù)據(jù)量使得人類(lèi)對(duì)算力的需求也達(dá)到了前所未有的高度。

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，人工智能的模型越來(lái)越大，其所需要的算力幾乎每經(jīng)過(guò)三四個(gè)月就會(huì)擴(kuò)大一倍。全社會(huì)對(duì)算力提升的需求也越來(lái)越迫切，預(yù)計(jì)每年將以超過(guò)20％的速度增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和算力需求呈現(xiàn)互相促進(jìn)、循環(huán)增強(qiáng)的狀態(tài)。不斷增加的數(shù)據(jù)量要求算力的同步提升，算力指數(shù)平均每提高1%，數(shù)字經(jīng)濟(jì)和GDP將分別增長(zhǎng)3.3‰和1.8‰。利用云網(wǎng)融合等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如同電網(wǎng)一樣，算力正進(jìn)入算力網(wǎng)絡(luò)階段。算力科學(xué)正在從傳統(tǒng)的計(jì)算模擬和數(shù)字仿真，走向基于高性能計(jì)算與科學(xué)大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)深度融合的“第四范式”。算力網(wǎng)絡(luò)是“一種根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在云、網(wǎng)、邊、端之間按需分配和靈活調(diào)度計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源以及網(wǎng)絡(luò)資源的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施”。

我國(guó)“東數(shù)西算”工程，在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏八地啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，并規(guī)劃了十個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群，把東部的算力需求轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞑康脑鲩L(zhǎng)動(dòng)力，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進(jìn)東西部協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能源和算力全國(guó)統(tǒng)籌。

元宇宙搭建在一個(gè)多維的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之上，也需要強(qiáng)大的算力支撐。但如果要做到真正普惠地使用元宇宙，就必須使用量子計(jì)算。

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。

量子力學(xué)的疊加態(tài)原理使量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)。因此，與以二進(jìn)制方式處理信息的電子計(jì)算相比，量子計(jì)算擁有更大的大幅提升算力的潛力。

電子計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)4種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目增加，對(duì)于n 個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加狀態(tài)，配合量子力學(xué)演化的并行性，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)比電子計(jì)算機(jī)更快的處理速度。

把量子考慮成磁場(chǎng)中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)方向可能與磁場(chǎng)方向一致，稱(chēng)為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場(chǎng)方向相反，稱(chēng)為下旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖將下旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)， 那么我們用一半的能量脈沖，就可以把下旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)到一種下旋轉(zhuǎn)與上旋轉(zhuǎn)疊加的狀態(tài)上（處在每種狀態(tài)上的概率為二分之一）。

對(duì)于n個(gè)量子比特而言，它可以承載2的n 次方個(gè)狀態(tài)的疊加狀態(tài)。量子計(jì)算機(jī)的操作過(guò)程被稱(chēng)為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態(tài)都以并行的方式演化。

這意味著量子計(jì)算機(jī)如果有500個(gè)量子比特，則量子計(jì)算的每一步都會(huì)對(duì)2500種可能性同時(shí)做出操作。這是一個(gè)非常大的數(shù)字，比地球上已知的原子數(shù)量還要大得多，這是真正的并行處理。電子計(jì)算機(jī)的并行處理器一次只能做一件事情。

4.新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

在元宇宙中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力與算力一樣，也是元宇宙的基礎(chǔ)。

存儲(chǔ)設(shè)備作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的載體起到了核心與關(guān)鍵的作用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一門(mén)涵蓋硬件與軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)科學(xué)，基于光存儲(chǔ)和磁存儲(chǔ)的各種新存儲(chǔ)技術(shù)不斷出現(xiàn)。

面對(duì)越來(lái)越大的數(shù)據(jù)量，縮小存儲(chǔ)介質(zhì)的體積以減少占地及投入成了存儲(chǔ)技術(shù)的重中之重。

最近幾年，存儲(chǔ)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，給存儲(chǔ)領(lǐng)域帶來(lái)了沖擊與新的 機(jī)會(huì)。

在IBM研發(fā)的“孤立原子”存儲(chǔ)方式，能極大縮減存儲(chǔ)介質(zhì)體積，這種技術(shù)能將3 500萬(wàn)首歌曲的文件存儲(chǔ)在一個(gè)信用卡大小的硬盤(pán)中。可即便如此，日漸龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求仍然難以被滿(mǎn)足。隨著IoT（物聯(lián)網(wǎng)）的發(fā)展， 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更是驚人。

DNA存儲(chǔ)也是近年來(lái)非常熱門(mén)的一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。我國(guó)“十四五”規(guī)劃明確提出，“加快布局量子計(jì)算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲(chǔ)等前沿 技術(shù)”。

目前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)技術(shù)都是通過(guò)表現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，分別代表0和1的。

DNA存儲(chǔ)則是把原本這些用0和1來(lái)表示的內(nèi)容換成四種堿基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶來(lái)表示，用遺傳代碼替代計(jì)算機(jī)代碼，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字信號(hào)到化學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)變，被稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終極技術(shù)。

DNA這種雙螺旋結(jié)構(gòu)上有四種化學(xué)基團(tuán)——堿基，每種堿基都可以用一個(gè)字母表示：A代表腺嘌呤、T代表胸腺嘧啶、G代表鳥(niǎo)嘌呤、C代表胞嘧啶。它們按照特定順序排列，組成遺傳信息，控制生物體生長(zhǎng)發(fā)育。

研究人員開(kāi)發(fā)的DNA數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)利用這四個(gè)堿基“字母”，開(kāi)發(fā)定制代碼。堿基可以被看作編程代碼，組成完全區(qū)別于生物體所用語(yǔ)言的“語(yǔ)言”。

DNA存儲(chǔ)具有三個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)。

一是信息密度高。據(jù)微軟研究院估計(jì)，1立方毫米DNA就能夠存儲(chǔ)1 EB （Exabyte，百億億字節(jié)）的數(shù)據(jù)；1克DNA就能夠存儲(chǔ)大量的信息。如果要存下當(dāng)前全世界的所有數(shù)據(jù)，只需要1千克左右DNA就足夠了。

二是存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性強(qiáng)。在合適的條件下，DNA可以存儲(chǔ)上萬(wàn)年。

三是存儲(chǔ)能耗很低。

然而，DNA存儲(chǔ)還存在不少缺點(diǎn)，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能真正能被大范圍使用。

隨著元宇宙大門(mén)逐漸開(kāi)啟，目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)面臨著重大的挑戰(zhàn)。

在元宇宙所依賴(lài)的技術(shù)中，區(qū)塊鏈的技術(shù)將是對(duì)傳統(tǒng)模式改變最大的部分。2018年，喬治·吉爾德在《后谷歌時(shí)代》中說(shuō)明，價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)終將迭代信息互聯(lián)網(wǎng)，開(kāi)啟加密經(jīng)濟(jì)新時(shí)代。

在組織方式上，人類(lèi)將會(huì)把中心化組織和去中心化組織結(jié)合在一起。這樣可以大大提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是其中的智能合約，將會(huì)徹底重構(gòu)人類(lèi)的商業(yè)模型，極大地減少內(nèi)耗和無(wú)效勞動(dòng)，將人類(lèi)帶入一種自管理、自組織、自動(dòng)執(zhí)行的世界，重復(fù)的、瑣碎的工作都可以交給人類(lèi)的伙伴—— 數(shù)字人完成，人類(lèi)得以被解放出來(lái)，專(zhuān)注于生活體驗(yàn)和創(chuàng)新體驗(yàn)。

在這一切元宇宙所依賴(lài)的技術(shù)背后，都隱藏著一個(gè)“巨人”。

可以這么說(shuō)，沒(méi)有這個(gè)“巨人”就沒(méi)有元宇宙，沒(méi)有元宇宙這個(gè)“巨人”也將無(wú)處躲藏。

這個(gè)“巨人”，就是人工智能。

人工智能是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的歸宿。

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)中，我們將會(huì)遇到一種全新的經(jīng)濟(jì)組織形式。它也將在元宇宙的體系中得到廣泛應(yīng)用，它就是DAO。