四、元宇宙的核心技术 有个短视频里面有这么一段描述，如果我们不断剥洋葱，希望通过这种方式找到洋葱的心，那么我们最后会发现洋葱其实是“没有”心的。 其实，我们一步步剥开的那些部分，就是洋葱的心。 因此，如果我们要回答“什么是元宇宙”“什么是元宇宙中的数字经济社会”，那么我们前文描述的这些内容就是元宇宙，就是元宇宙的数字经济社会。其中包括构建元宇宙的一切历史、技术、制度、生态和基础。 元宇宙是利用科技手段进行连接与创造的与现实世界映射和交互的虚拟世界。元宇宙是综合运用多种高科技的具备新型社会体系的数字生活空间， 与现实世界平行，并反作用于现实世界。 对元宇宙的纪年来说，我们现在尚属于元宇宙的史前时代。 故而，元宇宙的建设将是一个漫长的过程，如果考察农业社会和工业社会的建设过程，我们可以认为元宇宙的建设至少需要300年的历程。 元宇宙建成之时，也是我们整个人类数字经济、数字社会建设完成一个阶段目标的时候。 元宇宙的数字经济社会建设的依存度，将严重依赖如下五项技术的发展，我们可以称之为元宇宙依赖的五项核心技术。 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体验。VR、AR的缺点是无法通过设备模拟真实的知觉、体感、直觉等必要的生理反应，而脑机接口可以控制大脑神经，发送电信号以达到模拟真实感觉的效果，并由此创造沉浸式的元宇宙环境。这样的脑机接口技术，是不是元宇宙的一种解决方案，我们可以拭目以待。 二是数字孪生，能够把现实世界映射到数字世界里面去，并建立一个现实世界和数字世界互动、相互作用的孪生世界。 三是区块链技术。我们在元宇宙当中不仅仅可以花钱，也可以赚钱。数字世界里同样有经济体系，UGC的表达将进一步增强，并且将面临AIGC的 竞争。 四是算力更强的计算机技术，如量子计算机。这样3D实时渲染游戏才能模拟辉煌、庞大的宇宙数据并且不会出现卡顿。 五是存储能力更强的数据存储技术。在元宇宙里面，我们既依赖大量的数据，又产生着大量的数据。现在一年产生的数据，几乎等同于过去几十年产生的数据。我们现在无法看到地球漫长的历史，但我们以后将可以随时回访元宇宙的数字世界。 在不同的发展阶段，元宇宙需要的技术是不一样的。 初级阶段：元宇宙以游戏的形式出现，通过大型的沙盒引擎实现对应的元宇宙应用。 过渡阶段：元宇宙以VR、AR相关的技术为主，通过视觉沉浸方式，优化元宇宙的应用。 沉浸阶段：脑机接口技术普及，可以通过电信号模拟使大脑接收到不同画面的信号，通过控制神经及大脑使使用者在睡眠时在元宇宙中进行一系列行为体验。 但人类本已经无障碍地沉浸在现实世界里面了，人类真的还需要另外一个无限接近现实世界的沉浸式数字世界吗？ 因此，沉浸式体验并不是元宇宙发展的最终目标，人类在现实世界不能获得的，或者说不能经常性、持续性获得的体验，将是元宇宙发展的一个目标。 1.扩展现实技术 扩展现实（Extended Reality），简称XR，是指通过计算机将真实与虚拟相结合，打造一个人机交互、虚拟世界与现实世界无缝转换的“沉浸感”环境，这也是AR、VR、MR等多种技术的统称。在2020年突如其来的疫情暴发后，XR技术助力演唱会、庆典、品牌发布会等活动在线上举办。 线上直播演出与XR技术结合，在现阶段主要有两种实现方式。 第一种是搭建全虚拟环境。相关人员在绿幕背景下开展活动，技术人员通过技术手段将绿幕背景换成设计好的虚拟的视觉场景，最终生成观众看到的图像。 第二种是在真实的演出场景中将已制作好的图像与真实的图像合成，叠加视觉效果。 XR应用在直播演出中需要具备大宽带和低时延特性的5G网络支持，需要更大的数据传输量与实时互动，需要性能更强的设备能够支持即时影像 处理。
（1）虚拟现实（Virtual Reality，VR）是利用VR设备模拟产生一个三维的虚拟空间，提供视觉、听觉、触觉等模拟的感官体验，让使用者如同身历其境。简而言之，VR能够产生“无中生有”的效果。用户在使用VR技术时只能体验到虚拟世界，无法看到自己所处的真实环境。 （2）增强现实（Augmented Reality，AR）是VR的延伸，能够把计算机生成的虚拟信息，比如物体、图片、视频、声音、系统提示信息等叠加到真实场景中，并与人互动。简而言之，AR能够产生“锦上添花”的效果。用户在使用AR技术时既能看到现实世界，又能看到虚拟事物。 随着AR技术发展，现在有一些共性的AR技术要求：①达到与视网膜视觉相当的分辨率；②人眼能够对虚拟物体进行自然对焦，具体来说就是用户可以自由切换画面中任意距离上的物体的焦点，并能够识别相应的景深； ③能够补偿镜片造成的光学失真；④支持HDRI（High Dynamic Range Imaging，高动态范围成像），能够覆盖更广的色彩和支持更高的对比度。 （3）混合现实（Mixed Reality，MR）是虚拟现实技术的进一步发展，通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实包括增强现实和增强虚拟，通过合并现实世界和虚拟世界而产生新的可视化环境。在新的可视化环境里，物理对象和数字对象共存，并实时互动。 混合现实需要在一个能与现实世界各事物交互的环境中实现。如果一切事物都是虚拟的，那就是VR的领域了；如果展现出来的虚拟信息只能简单叠加在现实事物上，那就是AR的领域了。MR的关键就是虚拟世界与现实世界进行交互和及时获取信息，MR技术能让人们同时保持与现实世界、虚拟世界的联系，并根据自身的需要及具体情况调整操作，类似“超次元”。 混合现实可以用公式表示： MR=VR AR=现实世界 虚拟世界 数字化信息 简单来说，MR技术就是AR技术与VR技术的完美融合以及升华，虚拟世界和现实世界互动，人们不再局限于现实世界，从而获得前所未有的体验。 混合现实是一个快速发展的领域，广泛应用于工业、教育、展览、娱乐、地产、医疗等行业，并在营销、运营、物流、客户服务等多个环节得到充分应用。混合现实涵盖计算机增强现实技术的范围，与人工智能和量子计算（Quantum Computing，QC）被认为是将在未来显著提高生产率和体验的三大科技。随着科技迭代和发展，尤其是5G网络和通信技术高速发展，各行各业都将大规模应用MR技术。“MR 教育”“MR 金融”“MR 工业”等已经拥有了诸多成功的落地场景。 我们当前理解的“MR X”就是元宇宙。 谈到扩展现实，我们还必须将视线转到脑机接口上。 （4）脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术是指通过在人脑神经与具有高生物相容性的外部设备间建立直接连接的通路，实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。 这意味着，人与机器的主要交互方式，除了手工输入、人工智能语音、头戴式XR设备交互之外，还可以直接通过大脑向机器发指令。
目前的脑机接口技术可以分为两类：一类是侵入式技术，比如在大脑中植入芯片；另一类是非侵入式技术，比如戴上可以采集脑电波的头盔或帽子。脑机接口技术的发展速度也有类似于芯片领域的“摩尔定律”的规律， 其主要技术性能指标每三年翻一番。纵观全球，Meta、谷歌、亚马逊，以及埃隆·马斯克旗下的Neuralink（神经连接）公司等科技巨头都在积极布局脑机接口领域。 脑机接口将设备获得的大脑信号传递给计算机，再通过信号处理进行转换，应用机器学习和人工智能技术建立一个关于大脑发出的不同指令的模型，对大脑信号进行解码。这样，人的意图就被传递给计算机，再通过计算机将信号发送给其他设备。比如因“渐冻症”失去运动能力的患者可以通过这项技术操纵轮椅移动到他想去的地方。 脑机交互是人机交互的终极手段，可以帮助残疾人恢复视觉、听觉等感知功能，让他们获得运动能力，提高残疾群体的基本行为能力；帮助患有阿尔茨海默病等神经系统疾病的群体改善认知能力；让正常人更加高效地工作、更加健康地生活，做一些我们目前还不能做到的事。 2016年，荷兰乌特勒支大学的研究人员通过侵入式脑机接口技术，成功地使一位因“渐冻症”而失去运动能力乃至眼动能力的患者利用意念在计算机上打字，准确率达到95%，这使侵入式脑机接口技术应用水平向前迈了一大步。 2019年7月17日，埃隆·马斯克召开发布会，宣布Neuralink公司的脑机接口技术获重大突破，他们已经找到了高效实现脑机对接的方法。 Neuralink公司公布的最新技术成果彻底引爆了外界对于脑机接口技术的关注。脑机接口技术的应用前景非常广阔，比如可以帮助人们直接通过思维来控制基于脑机接口技术研发的机器人，从事各种工作。基于脑机接口技术研发的机器人不仅在残疾人康复、老年人护理等医疗领域具有显著的优势， 而且在教育、军事、娱乐、智能家居等方面也具有广阔的应用前景。 脑机接口作为一种全新的控制和交流方式，还可以应用到更广阔的脑机融合领域，就是所谓的“硅基生物”和“碳基生物”融合，打造“超强人类”，让人脑的功能得到进一步延伸。 脑机接口技术的发展对脑电波机理、脑认知、脑康复、信号处理、模式识别、芯片技术、计算技术等各个领域都提出了新的要求。人们也由此大大加深了对大脑结构和功能的认识。随着技术不断完善和多学科融合，脑机接口必将逐步应用于现实，造福人类。 因此，在元宇宙里面，创造力和想象力是我们必不可少的能力。 2.数字孪生 如果说XR技术解决的是人和元宇宙关系的问题，那么数字孪生解决的就是物和元宇宙关系的问题。 数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据等信息，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，可在虚拟空间——元宇宙中完成现实世界的物理映射，形成物理维度上的现实世界和数据维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的格局。数字孪生“桥接”了现实世界和虚拟世界。 密歇根大学的迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授于2002年首次提出了数字孪生的概念。他认为，通过物理设备的数据可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个设备的生命周期中都联系在一起的。最早将这种理念付诸实践的则是NASA（美国国家航空航天局），其为实施阿波罗计划开发了一套极其完整、高精度的模拟仿真系统。这套由多台计算机联网组成的庞大系统包含了阿波罗载人登月飞船的所有核心部件，可以用于培训宇航员、模拟多种故障场景处理等。 2014年以后，随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术不断发展，更多的工业产品、工业设备具备了智能化的特征，数字孪生的应用也逐步扩展到了包括制造和服务在内的完整的产品周期。数字孪生的形态和概念也不断丰富。 数字孪生集成了人工智能和机器学习（Machine Learning，ML）等技术， 将数据、算法和决策分析结合在一起，建立物理对象的虚拟映射，在问题发生之前先发现问题，监控虚拟模型中物理对象的变化，开展基于人工智能的多维数据复杂处理与异常分析，并预测潜在风险，合理、有效地规划生产， 并对相关设备进行维护。 随着越来越多的设备为数字孪生集成，数字孪生不仅连接一台设备，而且将设备的工作进程和操作员的信息结合起来，这有助于提高系统解决复杂问题的能力。 数字孪生还可连接由多台设备组成的系统，比如组织系统、生产系统， 乃至城市系统、地球系统。
受数字经济规律约束，企业也会采取数字化的手段来加快产品的开发速度，提高开发、生产、服务的有效性，提高企业内外部环境的开放性，缩短产品研发周期，推出定制化产品，同上下游建立起协同的“生态环境”。 智能系统的“智能”首先体现在感知、建模，然后才体现在分析、推理。这种数字化转型对于传统的工业企业来说会非常困难，因为这与沿用了几十年的基于经验的传统设计和制造理念相去甚远。 在设计领域，依靠数字孪生，设计人员既不需要依赖实际样品就可以验证设计理念，也不需通过复杂的实验验证产品的可靠性，更不需要进行小批量试制就可以直接预测生产的瓶颈，甚至不需要去现场就可以洞悉销售给客户的产品的实际运行情况。 在医院中，医生可以使用数字孪生技术，利用传感器监控患者状态并协调设备和人员，运用一种更好的方法来分析流程、降低操作成本、预测和预防突发情况，从而挽救更多的生命。 在建筑运营中，数字孪生将安防系统、供热系统、通风与空气调节系统集成在一起，以综合决策，优化工作流程并远程监控，从而提高住户的舒 适度。 工业软件研发与生产数据以及在工业领域内积累的大量工业技术和知识，都是实现数字孪生的上好“原料”和基础构件。2018年，美国通用电气（GE）公司宣称已为其生产的每台发动机、涡轮机、核磁共振仪都创造了一个数字孪生体。这些仿真的数字化模型可以在虚拟空间被调试、实验，这样就能够让实体机器达到最佳的运行效果。 数字孪生除了可以预见关键安全事件的系统响应，通过与实体的系统响应进行对比，揭示装备研制中存在的未知问题外，还可以通过激活系统的自愈机制，或者建议更改任务参数来减轻设备损耗，或者通过调节系统运营效率来提高系统的使用寿命和执行任务的成功率。 数字孪生在新材料研发、自然环境研究、人类社会系统研究等方面也有着广阔的应用前景。 工业界提出了数字孪生的概念，并将其应用于汽车制造、飞机制造等领域。但现在，数字孪生有了更广泛的应用，从工业范围内的数字孪生走向城市范围内的数字孪生，数字孪生将面临更加复杂的局面。 现实世界和虚拟世界的互动正在不断加强，新的技术路径正在形成，人类社会正在向数字经济、数字文明转型。进入21世纪，美国和德国均提出了CPS，其目标就是实现现实世界和虚拟世界的交互融合，通过新一代信息技术在虚拟世界仿真分析和预测，以最优的结果驱动现实世界的运行。数字孪生的本质就是在虚拟世界对现实世界等价互动。数字孪生成为实现CPS的最佳技术，并收敛和集成于元宇宙之中。 数字孪生最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈，这是人类逆向思维的壮举。人们试图将现实世界发生的一切在数字空间中同步进行，只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期。这样，我们也才可以真正在全生命周期范围内保证虚拟世界与现实世界协调一致。数字孪生的尽头，就是现实世界延伸出的数字空间—— 元宇宙。 3. 量子计算 元宇宙的一切都离不开算力的支持。 小至手机、笔记本计算机，大到超级计算机，算力存在于各种智能硬件设备中。算力的核心在芯片，没有芯片就没有各种软硬件的正常应用。每一次人脸识别，每一次语音、文字转换，都需要算力支持。 算力的大小代表着我们处理数字化信息能力的强弱，从原始社会的手动计算，到古代的机械计算，再到现代的电子计算、数字计算，算力代表了人类对数据的处理能力，也代表了人类智慧的发展水平。因为使用了超级计算机，电影《阿凡达》的后期渲染只用了一年的时间，而如果用普通计算机的话则需要一万年。 算力之于元宇宙就如同水利工程之于农业时代、电力之于工业时代，算力是数字经济的基础和核心生产力。“新摩尔定律”指出，每经过18个月，人类新增存储的数据量是有史以来存储的数据量总和。超大规模的数据量使得人类对算力的需求也达到了前所未有的高度。 随着技术不断发展，人工智能的模型越来越大，其所需要的算力几乎每经过三四个月就会扩大一倍。全社会对算力提升的需求也越来越迫切，预计每年将以超过20％的速度增长。 数据存储能力和算力需求呈现互相促进、循环增强的状态。不断增加的数据量要求算力的同步提升，算力指数平均每提高1%，数字经济和GDP将分别增长3.3‰和1.8‰。利用云网融合等新型网络技术，如同电网一样，算力正进入算力网络阶段。算力科学正在从传统的计算模拟和数字仿真，走向基于高性能计算与科学大数据、深度学习深度融合的“第四范式”。算力网络是“一种根据业务需求，在云、网、边、端之间按需分配和灵活调度计算资源、存储资源以及网络资源的新型信息基础设施”。 我国“东数西算”工程，在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏八地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了十个国家数据中心集群，把东部的算力需求转变为西部的增长动力，优化数据中心建设布局，促进东西部协同联动，实现能源和算力全国统筹。 元宇宙搭建在一个多维的虚拟现实场景之上，也需要强大的算力支撑。但如果要做到真正普惠地使用元宇宙，就必须使用量子计算。 量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。 量子力学的叠加态原理使量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态。因此，与以二进制方式处理信息的电子计算相比，量子计算拥有更大的大幅提升算力的潜力。 电子计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子比特（qubit）寄存器可同时存储4种状态的叠加状态。随着量子比特数目增加，对于n 个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加状态，配合量子力学演化的并行性，量子计算机可以实现比电子计算机更快的处理速度。 把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转方向可能与磁场方向一致，称为上旋转状态，或者与磁场方向相反，称为下旋转状态。如果我们能在消除外界影响的前提下，用一份能量脉冲将下旋转状态的电子转为上旋转状态， 那么我们用一半的能量脉冲，就可以把下旋转状态的电子转到一种下旋转与上旋转叠加的状态上（处在每种状态上的概率为二分之一）。 对于n个量子比特而言，它可以承载2的n 次方个状态的叠加状态。量子计算机的操作过程被称为幺正演化，幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。 这意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步都会对2500种可能性同时做出操作。这是一个非常大的数字，比地球上已知的原子数量还要大得多，这是真正的并行处理。电子计算机的并行处理器一次只能做一件事情。
4.新一代数据存储技术 在元宇宙中，数据存储能力与算力一样，也是元宇宙的基础。 存储设备作为数据存储的载体起到了核心与关键的作用。数据存储是一门涵盖硬件与软件的计算机系统科学，基于光存储和磁存储的各种新存储技术不断出现。 面对越来越大的数据量，缩小存储介质的体积以减少占地及投入成了存储技术的重中之重。 最近几年，存储技术得到了飞速发展，给存储领域带来了冲击与新的 机会。 在IBM研发的“孤立原子”存储方式，能极大缩减存储介质体积，这种技术能将3 500万首歌曲的文件存储在一个信用卡大小的硬盘中。可即便如此，日渐庞大的数据存储需求仍然难以被满足。随着IoT（物联网）的发展， 产生的数据量更是惊人。 DNA存储也是近年来非常热门的一种数据存储技术。我国“十四五”规划明确提出，“加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿 技术”。 目前存储的数据技术都是通过表现两种不同的状态，分别代表0和1的。 DNA存储则是把原本这些用0和1来表示的内容换成四种碱基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶来表示，用遗传代码替代计算机代码，实现从数字信号到化学信号的转变，被称为数据存储终极技术。 DNA这种双螺旋结构上有四种化学基团——碱基，每种碱基都可以用一个字母表示：A代表腺嘌呤、T代表胸腺嘧啶、G代表鸟嘌呤、C代表胞嘧啶。它们按照特定顺序排列，组成遗传信息，控制生物体生长发育。 研究人员开发的DNA数字存储系统利用这四个碱基“字母”，开发定制代码。碱基可以被看作编程代码，组成完全区别于生物体所用语言的“语言”。 DNA存储具有三个非常突出的优点。 一是信息密度高。据微软研究院估计，1立方毫米DNA就能够存储1 EB （Exabyte，百亿亿字节）的数据；1克DNA就能够存储大量的信息。如果要存下当前全世界的所有数据，只需要1千克左右DNA就足够了。 二是存储时间长、稳定性强。在合适的条件下，DNA可以存储上万年。 三是存储能耗很低。 然而，DNA存储还存在不少缺点，还需要很长一段时间才能真正能被大范围使用。 随着元宇宙大门逐渐开启，目前的数据存储技术面临着重大的挑战。 在元宇宙所依赖的技术中，区块链的技术将是对传统模式改变最大的部分。2018年，乔治·吉尔德在《后谷歌时代》中说明，价值互联网终将迭代信息互联网，开启加密经济新时代。 在组织方式上，人类将会把中心化组织和去中心化组织结合在一起。这样可以大大提高效率，降低劳动强度，尤其是其中的智能合约，将会彻底重构人类的商业模型，极大地减少内耗和无效劳动，将人类带入一种自管理、自组织、自动执行的世界，重复的、琐碎的工作都可以交给人类的伙伴—— 数字人完成，人类得以被解放出来，专注于生活体验和创新体验。 在这一切元宇宙所依赖的技术背后，都隐藏着一个“巨人”。 可以这么说，没有这个“巨人”就没有元宇宙，没有元宇宙这个“巨人”也将无处躲藏。 这个“巨人”，就是人工智能。 人工智能是数字经济的出发点，也是数字经济的归宿。 在数字经济中，我们将会遇到一种全新的经济组织形式。它也将在元宇宙的体系中得到广泛应用，它就是DAO。 |
