四、元宇宙的核心技術

有個短視頻里面有這么一段描述，如果我們不斷剝洋蔥，希望通過這種方式找到洋蔥的心，那么我們最后會發現洋蔥其實是“沒有”心的。

其實，我們一步步剝開的那些部分，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字經濟社會”，那么我們前文描述的這些內容就是元宇宙，就是元宇宙的數字經濟社會。其中包括構建元宇宙的一切歷史、技術、制度、生態和基礎。

元宇宙是利用科技手段進行連接與創造的與現實世界映射和交互的虛擬世界。元宇宙是綜合運用多種高科技的具備新型社會體系的數字生活空間， 與現實世界平行，并反作用于現實世界。

對元宇宙的紀年來說，我們現在尚屬于元宇宙的史前時代。

故而，元宇宙的建設將是一個漫長的過程，如果考察農業社會和工業社會的建設過程，我們可以認為元宇宙的建設至少需要300年的歷程。

元宇宙建成之時，也是我們整個人類數字經濟、數字社會建設完成一個階段目標的時候。

元宇宙的數字經濟社會建設的依存度，將嚴重依賴如下五項技術的發展，我們可以稱之為元宇宙依賴的五項核心技術。

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體驗。VR、AR的缺點是無法通過設備模擬真實的知覺、體感、直覺等必要的生理反應，而腦機接口可以控制大腦神經，發送電信號以達到模擬真實感覺的效果，并由此創造沉浸式的元宇宙環境。這樣的腦機接口技術，是不是元宇宙的一種解決方案，我們可以拭目以待。

二是數字孿生，能夠把現實世界映射到數字世界里面去，并建立一個現實世界和數字世界互動、相互作用的孿生世界。

三是區塊鏈技術。我們在元宇宙當中不僅僅可以花錢，也可以賺錢。數字世界里同樣有經濟體系，UGC的表達將進一步增強，并且將面臨AIGC的 競爭。

四是算力更強的計算機技術，如量子計算機。這樣3D實時渲染游戲才能模擬輝煌、龐大的宇宙數據并且不會出現卡頓。

五是存儲能力更強的數據存儲技術。在元宇宙里面，我們既依賴大量的數據，又產生著大量的數據。現在一年產生的數據，幾乎等同于過去幾十年產生的數據。我們現在無法看到地球漫長的歷史，但我們以后將可以隨時回訪元宇宙的數字世界。

在不同的發展階段，元宇宙需要的技術是不一樣的。

初級階段：元宇宙以游戲的形式出現，通過大型的沙盒引擎實現對應的元宇宙應用。

過渡階段：元宇宙以VR、AR相關的技術為主，通過視覺沉浸方式，優化元宇宙的應用。

沉浸階段：腦機接口技術普及，可以通過電信號模擬使大腦接收到不同畫面的信號，通過控制神經及大腦使使用者在睡眠時在元宇宙中進行一系列行為體驗。

但人類本已經無障礙地沉浸在現實世界里面了，人類真的還需要另外一個無限接近現實世界的沉浸式數字世界嗎？

因此，沉浸式體驗并不是元宇宙發展的最終目標，人類在現實世界不能獲得的，或者說不能經常性、持續性獲得的體驗，將是元宇宙發展的一個目標。

1.擴展現實技術

擴展現實（Extended Reality），簡稱XR，是指通過計算機將真實與虛擬相結合，打造一個人機交互、虛擬世界與現實世界無縫轉換的“沉浸感”環境，這也是AR、VR、MR等多種技術的統稱。在2020年突如其來的疫情暴發后，XR技術助力演唱會、慶典、品牌發布會等活動在線上舉辦。

線上直播演出與XR技術結合，在現階段主要有兩種實現方式。

第一種是搭建全虛擬環境。相關人員在綠幕背景下開展活動，技術人員通過技術手段將綠幕背景換成設計好的虛擬的視覺場景，最終生成觀眾看到的圖像。

第二種是在真實的演出場景中將已制作好的圖像與真實的圖像合成，疊加視覺效果。

XR應用在直播演出中需要具備大寬帶和低時延特性的5G網絡支持，需要更大的數據傳輸量與實時互動，需要性能更強的設備能夠支持即時影像 處理。

（1）虛擬現實（Virtual Reality，VR）是利用VR設備模擬產生一個三維的虛擬空間，提供視覺、聽覺、觸覺等模擬的感官體驗，讓使用者如同身歷其境。簡而言之，VR能夠產生“無中生有”的效果。用戶在使用VR技術時只能體驗到虛擬世界，無法看到自己所處的真實環境。

（2）增強現實（Augmented Reality，AR）是VR的延伸，能夠把計算機生成的虛擬信息，比如物體、圖片、視頻、聲音、系統提示信息等疊加到真實場景中，并與人互動。簡而言之，AR能夠產生“錦上添花”的效果。用戶在使用AR技術時既能看到現實世界，又能看到虛擬事物。

隨著AR技術發展，現在有一些共性的AR技術要求：①達到與視網膜視覺相當的分辨率；②人眼能夠對虛擬物體進行自然對焦，具體來說就是用戶可以自由切換畫面中任意距離上的物體的焦點，并能夠識別相應的景深； ③能夠補償鏡片造成的光學失真；④支持HDRI（High Dynamic Range Imaging，高動態范圍成像），能夠覆蓋更廣的色彩和支持更高的對比度。

（3）混合現實（Mixed Reality，MR）是虛擬現實技術的進一步發展，通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。混合現實包括增強現實和增強虛擬，通過合并現實世界和虛擬世界而產生新的可視化環境。在新的可視化環境里，物理對象和數字對象共存，并實時互動。

混合現實需要在一個能與現實世界各事物交互的環境中實現。如果一切事物都是虛擬的，那就是VR的領域了；如果展現出來的虛擬信息只能簡單疊加在現實事物上，那就是AR的領域了。MR的關鍵就是虛擬世界與現實世界進行交互和及時獲取信息，MR技術能讓人們同時保持與現實世界、虛擬世界的聯系，并根據自身的需要及具體情況調整操作，類似“超次元”。

混合現實可以用公式表示：

MR=VR AR=現實世界 虛擬世界 數字化信息

簡單來說，MR技術就是AR技術與VR技術的完美融合以及升華，虛擬世界和現實世界互動，人們不再局限于現實世界，從而獲得前所未有的體驗。

混合現實是一個快速發展的領域，廣泛應用于工業、教育、展覽、娛樂、地產、醫療等行業，并在營銷、運營、物流、客戶服務等多個環節得到充分應用?；旌犀F實涵蓋計算機增強現實技術的范圍，與人工智能和量子計算（Quantum Computing，QC）被認為是將在未來顯著提高生產率和體驗的三大科技。隨著科技迭代和發展，尤其是5G網絡和通信技術高速發展，各行各業都將大規模應用MR技術?！癕R 教育”“MR 金融”“MR 工業”等已經擁有了諸多成功的落地場景。

我們當前理解的“MR X”就是元宇宙。

談到擴展現實，我們還必須將視線轉到腦機接口上。

（4）腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術是指通過在人腦神經與具有高生物相容性的外部設備間建立直接連接的通路，實現神經系統和外部設備間信息交互與功能整合的技術。

這意味著，人與機器的主要交互方式，除了手工輸入、人工智能語音、頭戴式XR設備交互之外，還可以直接通過大腦向機器發指令。

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

腦機接口將設備獲得的大腦信號傳遞給計算機，再通過信號處理進行轉換，應用機器學習和人工智能技術建立一個關于大腦發出的不同指令的模型，對大腦信號進行解碼。這樣，人的意圖就被傳遞給計算機，再通過計算機將信號發送給其他設備。比如因“漸凍癥”失去運動能力的患者可以通過這項技術操縱輪椅移動到他想去的地方。

腦機交互是人機交互的終極手段，可以幫助殘疾人恢復視覺、聽覺等感知功能，讓他們獲得運動能力，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系統疾病的群體改善認知能力；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，荷蘭烏特勒支大學的研究人員通過侵入式腦機接口技術，成功地使一位因“漸凍癥”而失去運動能力乃至眼動能力的患者利用意念在計算機上打字，準確率達到95%，這使侵入式腦機接口技術應用水平向前邁了一大步。

2019年7月17日，埃隆·馬斯克召開發布會，宣布Neuralink公司的腦機接口技術獲重大突破，他們已經找到了高效實現腦機對接的方法。

Neuralink公司公布的最新技術成果徹底引爆了外界對于腦機接口技術的關注。腦機接口技術的應用前景非常廣闊，比如可以幫助人們直接通過思維來控制基于腦機接口技術研發的機器人，從事各種工作?；谀X機接口技術研發的機器人不僅在殘疾人康復、老年人護理等醫療領域具有顯著的優勢， 而且在教育、軍事、娛樂、智能家居等方面也具有廣闊的應用前景。

腦機接口作為一種全新的控制和交流方式，還可以應用到更廣闊的腦機融合領域，就是所謂的“硅基生物”和“碳基生物”融合，打造“超強人類”，讓人腦的功能得到進一步延伸。

腦機接口技術的發展對腦電波機理、腦認知、腦康復、信號處理、模式識別、芯片技術、計算技術等各個領域都提出了新的要求。人們也由此大大加深了對大腦結構和功能的認識。隨著技術不斷完善和多學科融合，腦機接口必將逐步應用于現實，造福人類。

因此，在元宇宙里面，創造力和想象力是我們必不可少的能力。

2.數字孿生

如果說XR技術解決的是人和元宇宙關系的問題，那么數字孿生解決的就是物和元宇宙關系的問題。

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數據等信息，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，可在虛擬空間——元宇宙中完成現實世界的物理映射，形成物理維度上的現實世界和數據維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的格局。數字孿生“橋接”了現實世界和虛擬世界。

密歇根大學的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授于2002年首次提出了數字孿生的概念。他認為，通過物理設備的數據可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個設備的生命周期中都聯系在一起的。最早將這種理念付諸實踐的則是NASA（美國國家航空航天局），其為實施阿波羅計劃開發了一套極其完整、高精度的模擬仿真系統。這套由多臺計算機聯網組成的龐大系統包含了阿波羅載人登月飛船的所有核心部件，可以用于培訓宇航員、模擬多種故障場景處理等。

2014年以后，隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術不斷發展，更多的工業產品、工業設備具備了智能化的特征，數字孿生的應用也逐步擴展到了包括制造和服務在內的完整的產品周期。數字孿生的形態和概念也不斷豐富。

數字孿生集成了人工智能和機器學習（Machine Learning，ML）等技術， 將數據、算法和決策分析結合在一起，建立物理對象的虛擬映射，在問題發生之前先發現問題，監控虛擬模型中物理對象的變化，開展基于人工智能的多維數據復雜處理與異常分析，并預測潛在風險，合理、有效地規劃生產， 并對相關設備進行維護。

隨著越來越多的設備為數字孿生集成，數字孿生不僅連接一臺設備，而且將設備的工作進程和操作員的信息結合起來，這有助于提高系統解決復雜問題的能力。

數字孿生還可連接由多臺設備組成的系統，比如組織系統、生產系統， 乃至城市系統、地球系統。

受數字經濟規律約束，企業也會采取數字化的手段來加快產品的開發速度，提高開發、生產、服務的有效性，提高企業內外部環境的開放性，縮短產品研發周期，推出定制化產品，同上下游建立起協同的“生態環境”。

智能系統的“智能”首先體現在感知、建模，然后才體現在分析、推理。這種數字化轉型對于傳統的工業企業來說會非常困難，因為這與沿用了幾十年的基于經驗的傳統設計和制造理念相去甚遠。

在設計領域，依靠數字孿生，設計人員既不需要依賴實際樣品就可以驗證設計理念，也不需通過復雜的實驗驗證產品的可靠性，更不需要進行小批量試制就可以直接預測生產的瓶頸，甚至不需要去現場就可以洞悉銷售給客戶的產品的實際運行情況。

在醫院中，醫生可以使用數字孿生技術，利用傳感器監控患者狀態并協調設備和人員，運用一種更好的方法來分析流程、降低操作成本、預測和預防突發情況，從而挽救更多的生命。

在建筑運營中，數字孿生將安防系統、供熱系統、通風與空氣調節系統集成在一起，以綜合決策，優化工作流程并遠程監控，從而提高住戶的舒 適度。

工業軟件研發與生產數據以及在工業領域內積累的大量工業技術和知識，都是實現數字孿生的上好“原料”和基礎構件。2018年，美國通用電氣（GE）公司宣稱已為其生產的每臺發動機、渦輪機、核磁共振儀都創造了一個數字孿生體。這些仿真的數字化模型可以在虛擬空間被調試、實驗，這樣就能夠讓實體機器達到最佳的運行效果。

數字孿生除了可以預見關鍵安全事件的系統響應，通過與實體的系統響應進行對比，揭示裝備研制中存在的未知問題外，還可以通過激活系統的自愈機制，或者建議更改任務參數來減輕設備損耗，或者通過調節系統運營效率來提高系統的使用壽命和執行任務的成功率。

數字孿生在新材料研發、自然環境研究、人類社會系統研究等方面也有著廣闊的應用前景。

工業界提出了數字孿生的概念，并將其應用于汽車制造、飛機制造等領域。但現在，數字孿生有了更廣泛的應用，從工業范圍內的數字孿生走向城市范圍內的數字孿生，數字孿生將面臨更加復雜的局面。

現實世界和虛擬世界的互動正在不斷加強，新的技術路徑正在形成，人類社會正在向數字經濟、數字文明轉型。進入21世紀，美國和德國均提出了CPS，其目標就是實現現實世界和虛擬世界的交互融合，通過新一代信息技術在虛擬世界仿真分析和預測，以最優的結果驅動現實世界的運行。數字孿生的本質就是在虛擬世界對現實世界等價互動。數字孿生成為實現CPS的最佳技術，并收斂和集成于元宇宙之中。

數字孿生最為重要的啟發意義在于，它實現了現實物理系統向賽博空間數字化模型的反饋，這是人類逆向思維的壯舉。人們試圖將現實世界發生的一切在數字空間中同步進行，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保證虛擬世界與現實世界協調一致。數字孿生的盡頭，就是現實世界延伸出的數字空間—— 元宇宙。

3. 量子計算

元宇宙的一切都離不開算力的支持。

小至手機、筆記本計算機，大到超級計算機，算力存在于各種智能硬件設備中。算力的核心在芯片，沒有芯片就沒有各種軟硬件的正常應用。每一次人臉識別，每一次語音、文字轉換，都需要算力支持。

算力的大小代表著我們處理數字化信息能力的強弱，從原始社會的手動計算，到古代的機械計算，再到現代的電子計算、數字計算，算力代表了人類對數據的處理能力，也代表了人類智慧的發展水平。因為使用了超級計算機，電影《阿凡達》的后期渲染只用了一年的時間，而如果用普通計算機的話則需要一萬年。

算力之于元宇宙就如同水利工程之于農業時代、電力之于工業時代，算力是數字經濟的基礎和核心生產力。“新摩爾定律”指出，每經過18個月，人類新增存儲的數據量是有史以來存儲的數據量總和。超大規模的數據量使得人類對算力的需求也達到了前所未有的高度。

隨著技術不斷發展，人工智能的模型越來越大，其所需要的算力幾乎每經過三四個月就會擴大一倍。全社會對算力提升的需求也越來越迫切，預計每年將以超過20％的速度增長。

數據存儲能力和算力需求呈現互相促進、循環增強的狀態。不斷增加的數據量要求算力的同步提升，算力指數平均每提高1%，數字經濟和GDP將分別增長3.3‰和1.8‰。利用云網融合等新型網絡技術，如同電網一樣，算力正進入算力網絡階段。算力科學正在從傳統的計算模擬和數字仿真，走向基于高性能計算與科學大數據、深度學習深度融合的“第四范式”。算力網絡是“一種根據業務需求，在云、網、邊、端之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施”。

我國“東數西算”工程，在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏八地啟動建設國家算力樞紐節點，并規劃了十個國家數據中心集群，把東部的算力需求轉變為西部的增長動力，優化數據中心建設布局，促進東西部協同聯動，實現能源和算力全國統籌。

元宇宙搭建在一個多維的虛擬現實場景之上，也需要強大的算力支撐。但如果要做到真正普惠地使用元宇宙，就必須使用量子計算。

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。

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

電子計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子比特（qubit）寄存器可同時存儲4種狀態的疊加狀態。隨著量子比特數目增加，對于n 個量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態的疊加狀態，配合量子力學演化的并行性，量子計算機可以實現比電子計算機更快的處理速度。

把量子考慮成磁場中的電子。電子的旋轉方向可能與磁場方向一致，稱為上旋轉狀態，或者與磁場方向相反，稱為下旋轉狀態。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狀態的電子轉為上旋轉狀態， 那么我們用一半的能量脈沖，就可以把下旋轉狀態的電子轉到一種下旋轉與上旋轉疊加的狀態上（處在每種狀態上的概率為二分之一）。

對于n個量子比特而言，它可以承載2的n 次方個狀態的疊加狀態。量子計算機的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態都以并行的方式演化。

這意味著量子計算機如果有500個量子比特，則量子計算的每一步都會對2500種可能性同時做出操作。這是一個非常大的數字，比地球上已知的原子數量還要大得多，這是真正的并行處理。電子計算機的并行處理器一次只能做一件事情。

4.新一代數據存儲技術

在元宇宙中，數據存儲能力與算力一樣，也是元宇宙的基礎。

存儲設備作為數據存儲的載體起到了核心與關鍵的作用。數據存儲是一門涵蓋硬件與軟件的計算機系統科學，基于光存儲和磁存儲的各種新存儲技術不斷出現。

面對越來越大的數據量，縮小存儲介質的體積以減少占地及投入成了存儲技術的重中之重。

最近幾年，存儲技術得到了飛速發展，給存儲領域帶來了沖擊與新的 機會。

在IBM研發的“孤立原子”存儲方式，能極大縮減存儲介質體積，這種技術能將3 500萬首歌曲的文件存儲在一個信用卡大小的硬盤中?？杉幢闳绱耍諠u龐大的數據存儲需求仍然難以被滿足。隨著IoT（物聯網）的發展， 產生的數據量更是驚人。

DNA存儲也是近年來非常熱門的一種數據存儲技術。我國“十四五”規劃明確提出，“加快布局量子計算、量子通信、神經芯片、DNA存儲等前沿 技術”。

目前存儲的數據技術都是通過表現兩種不同的狀態，分別代表0和1的。

DNA存儲則是把原本這些用0和1來表示的內容換成四種堿基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶來表示，用遺傳代碼替代計算機代碼，實現從數字信號到化學信號的轉變，被稱為數據存儲終極技術。

DNA這種雙螺旋結構上有四種化學基團——堿基，每種堿基都可以用一個字母表示：A代表腺嘌呤、T代表胸腺嘧啶、G代表鳥嘌呤、C代表胞嘧啶。它們按照特定順序排列，組成遺傳信息，控制生物體生長發育。

研究人員開發的DNA數字存儲系統利用這四個堿基“字母”，開發定制代碼。堿基可以被看作編程代碼，組成完全區別于生物體所用語言的“語言”。

DNA存儲具有三個非常突出的優點。

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

二是存儲時間長、穩定性強。在合適的條件下，DNA可以存儲上萬年。

三是存儲能耗很低。

然而，DNA存儲還存在不少缺點，還需要很長一段時間才能真正能被大范圍使用。

隨著元宇宙大門逐漸開啟，目前的數據存儲技術面臨著重大的挑戰。

在元宇宙所依賴的技術中，區塊鏈的技術將是對傳統模式改變最大的部分。2018年，喬治·吉爾德在《后谷歌時代》中說明，價值互聯網終將迭代信息互聯網，開啟加密經濟新時代。

在組織方式上，人類將會把中心化組織和去中心化組織結合在一起。這樣可以大大提高效率，降低勞動強度，尤其是其中的智能合約，將會徹底重構人類的商業模型，極大地減少內耗和無效勞動，將人類帶入一種自管理、自組織、自動執行的世界，重復的、瑣碎的工作都可以交給人類的伙伴—— 數字人完成，人類得以被解放出來，專注于生活體驗和創新體驗。

在這一切元宇宙所依賴的技術背后，都隱藏著一個“巨人”。

可以這么說，沒有這個“巨人”就沒有元宇宙，沒有元宇宙這個“巨人”也將無處躲藏。

這個“巨人”，就是人工智能。

人工智能是數字經濟的出發點，也是數字經濟的歸宿。

在數字經濟中，我們將會遇到一種全新的經濟組織形式。它也將在元宇宙的體系中得到廣泛應用，它就是DAO。