王宇

隨著科學技術(shù)的突飛猛進，新概念和新生事物層出不窮。近年來，“元宇宙”成為當今最火爆的“熱詞”。

“元宇宙”是什么？它曾是一個30年前就已經(jīng)提出的概念，但迄今為止還沒有一個既準確又完整的定義。目前專家認為，元宇宙是指虛擬時空的集合，是由系列數(shù)字化產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)所組成，并以增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）顯現(xiàn)，與現(xiàn)實世界平行或展現(xiàn)未來的虛擬世界。元宇宙就是對現(xiàn)實世界的一組數(shù)字規(guī)律化地表達?，F(xiàn)實中的天、地、生和物，產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)的建模設計，甚至故事、情感以及未來預測都可以搬進虛擬仿真世界中，讓人們在虛擬的“海市蜃樓”中滿足感知、社交、娛樂等，甚至進行認知、教育、實踐、交易等社會性活動，不僅可以為用戶提供更加寬廣的腦際交互空間和豐富的交互體驗等精神生活，也可以為人們加速認知自然、探索科學真理和規(guī)律的新手段，也可以為用戶提供個性多樣的消費內(nèi)容、高信用的物質(zhì)交換系統(tǒng)，為建立新的精神文明和物質(zhì)文明提供服務。筆者以為，“元宇宙”就是把“異時空”人和物數(shù)字化搬入“同時空”，是一個宇宙萬物運行規(guī)律的“像顯”。

“集大成者”——“元宇宙”。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，元宇宙概念應運而生?！霸钪妗奔闪穗娮有畔ⅰ⒋髷?shù)據(jù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）、虛擬仿真（ER）等技術(shù)成果。我們可以把它想象成是一個復合的終端產(chǎn)品，不僅僅是一部手機、一臺電腦或一個機器“人偶”（奧特曼和諾曼之流）就能構(gòu)建的，而是由一組單功能體“并聯(lián)”在同一網(wǎng)絡中同步行動的復合體。它的出現(xiàn)，向人類展現(xiàn)出構(gòu)建與傳統(tǒng)物理世界平行的全息數(shù)字世界的可能性;引發(fā)了信息科學、量子科學、數(shù)學和生命科學的整體疊加，將改變?nèi)祟惪茖W活動范式;推動了傳統(tǒng)的哲學、社會學，甚至人文科學體系的“破繭重塑”;融合了區(qū)塊鏈技術(shù)，以及NFT（非同質(zhì)化代幣）等數(shù)字金融成果，豐富了數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型模式。作為一種多項數(shù)字技術(shù)的綜合集成應用，元宇宙場景從概念到真正落地需要實現(xiàn)兩大突破：第一個是XR、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、人工智能等單項技術(shù)的突破，從不同維度實現(xiàn)立體視覺、深度沉浸、虛擬分身等元宇宙應用的基礎功能;第二個突破是多項數(shù)字技術(shù)的融合應用突破，通過多項技術(shù)的疊加兼容、交互、融合，形成“技術(shù)集成”并廣泛應用。

“元宇宙”前景無量。人們對它的認知尚無定論，對它的發(fā)展前景更是不一而足，但有一點是十分一致明確的，那就是不管現(xiàn)在還是未來，它有著極大的發(fā)展空間和市場前景，或?qū)⒊蔀橄乱粋€風口。每個行業(yè)都從自身角度理解分析，為元宇宙賦予了不同的定義和應用前景。隨著數(shù)字孿生（DT）和數(shù)字化設備、編程軟件的開發(fā)，以及人工智能（AI）和算力及網(wǎng)速的提升，還有AR、VR、ER、MR等底層技術(shù)不斷進步融合，“元宇宙”的實現(xiàn)將會是“水到渠成”，應用范圍正在不斷拓展。盤點一下入局的大公司，如Facebook、微軟、字節(jié)跳動等，還有若干跟進的中小微企業(yè)，我們可以看出，實現(xiàn)創(chuàng)造性突破并廣泛應用的目標越來越近。

元宇宙應用緣起于游戲，但必然超越游戲。羅布樂思（Aoblox）是一款兼容了虛擬世界、休閑游戲和自建內(nèi)容的游戲，游戲中的大多數(shù)作品都是用戶自行建立的。在游戲中，玩家也可以開發(fā)各種形式類別的游戲。Roblox商業(yè)公司曾對這一概念進行定義，列出了平臺具有通向元宇宙的8個關(guān)鍵特征：身份、朋友、沉浸感、隨地、多元化、低延遲、經(jīng)濟系統(tǒng)、文明。從商業(yè)角度來看，雖說這些都是虛擬的，卻都可以用來掘金，有著源源不斷地開發(fā)應用價值。就其8個特征概念可以產(chǎn)生無數(shù)種組合，產(chǎn)生無限商機。我們知道，今天在線上進行的教育、會議、社交、交易或娛樂游戲活動，僅僅是元宇宙應用的起步階段。當元宇宙逐漸開始融入人們的生活后，特別是廣大青年學生和科技工作者借助元宇宙系統(tǒng)認知、探索自然科學規(guī)律、開展科學實驗并進行科技創(chuàng)新應該是元宇宙應用的最大價值體現(xiàn)。

事實上，很多仿真實驗軟件早就開發(fā)出來了，并在很多場景下廣泛使用。在上世紀50年代和60年代，仿真實驗主要應用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領域。在航空工業(yè)方面，采用仿真實驗技術(shù)使大型客機的設計和研制時間周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員，其費用僅為空中飛行訓練的10%，且不受氣象條件及場地的限制，還可以設置一些故障，培養(yǎng)飛行員應付故障的能力。在航天工業(yè)方面，采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數(shù)減少80%。在電力工業(yè)方面，采用仿真實驗系統(tǒng)對核電站進行調(diào)試、維護和排除故障，一年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本?，F(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應用于傳統(tǒng)的工程領域，而且日益廣泛地應用于社會、經(jīng)濟發(fā)展的各個領域，如交通控制、城市規(guī)劃、工業(yè)設計、資源利用、生態(tài)環(huán)境控制、生產(chǎn)管理、行業(yè)分析預測等。2016年，谷歌展示了一次可以寫入歷史的“人機大戰(zhàn)”，轟動全球。代表人工智能產(chǎn)物的阿爾法狗還有一個不同凡響的特質(zhì)，它不僅是一個機械化表達出的程序編碼，更是一個有“監(jiān)督預判機制”和“學習改善”的機器人，是智慧的集成和傳承，標志著人工智能進入了一個新的時代。盡管如此，這也說明了一個事實，個人或個件的智慧容量總是有限的，而通過元宇宙的集成則是無限的。

虛擬仿真實驗在教育上的應用，可以貼合一線學習需求，打造全新虛擬空間多媒體應用場景，多維度呈現(xiàn)學習內(nèi)容，調(diào)動受者視覺、聽覺、動覺等多感官參與，使抽象的概念、理論更加直觀化、形象化，極大提升教學的互動性和傳承的連貫性，可以讓后人站在前人的肩膀上繼續(xù)前進，以期能夠培養(yǎng)更多的人才，拓展寬廣的創(chuàng)新空間，為建立創(chuàng)新型國家奠定更為堅實基礎。仿真軟件通過圖形化界面聯(lián)系理論條件與實驗過程，同時運用一定的編程達到模擬現(xiàn)實的效果，這在大學、全國重點高中、初中也已經(jīng)開始應用。VCM仿真實驗、CER卓信365仿真實驗、智天下虛擬實驗室等學習平臺，是利用flash技術(shù)開發(fā)的，富有真實感，能模擬完成理化學科中學教材中涉及的各個實驗的開放式教學平臺。通過直接在電腦上在線模擬操作，可以根據(jù)提供的器材，任意搭建實驗，改變各項參數(shù)，不管操作正確與否，均可以獲得與實際相似的現(xiàn)象和結(jié)果。學生可以身臨其境地參與實驗，具有認知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。同步虛擬仿真實驗是把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到中學化學、物理、生物實驗課程中的實驗平臺。中國科學技術(shù)大學人工智能與計算機應用研究室1995年開發(fā)完成的“大學物理計算機仿真實驗”軟件，是國際上第一套虛擬現(xiàn)實型的教學軟件，在國際和國內(nèi)都產(chǎn)生了較大影響。該項目1996年獲中國科學院教學成果獎一等獎，1997年獲國家級教學成果獎一等獎，同年列入國家“九五”重點科技攻關(guān)計劃。在國內(nèi)，有400多所大虛擬仿真實驗在科研上的應用，不僅能夠促進科研工作者的融合創(chuàng)新，并可大量節(jié)約時耗和物耗，大幅提升科研效率。

具有人類文明非凡價值的應用在于模擬仿真科學技術(shù)實驗，這將是一項具有劃時代意義的偉大工程。這項應用不僅在廣大科技工作者的科研探索過程中有著廣泛而深刻的需求，并在未來科技的傳承和接力中將發(fā)揮久遠而深刻的影響，有利于形成青勝于藍的局面，在跨越式創(chuàng)新發(fā)展中將產(chǎn)生萬噸推力。在計算機系統(tǒng)中創(chuàng)建虛擬實驗環(huán)境，用軟件程式化設備、材料、公式、參數(shù)，讓廣大科技工作者，特別是生產(chǎn)一線的科技人員，隨時隨地可以進入?yún)⑴c像在現(xiàn)實實驗環(huán)境中一樣完成各種實驗?；蛘哒f把各種實驗室或設備搬入元宇宙，形成科研協(xié)同的“島鏈”，在技術(shù)實現(xiàn)上，應用AR/VR、區(qū)塊鏈、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、3D引擎等新技術(shù)，引進世界一流設備，自主研發(fā)交互系統(tǒng)，打造一個元宇宙沉浸式科學實驗室，同時在應用交互上，元宇宙實驗室采用各種底層技術(shù)相互交互，實現(xiàn)場景低延時、高響應，同比仿真。不僅能夠促進科研工作者的融合創(chuàng)新，并可大量節(jié)約時耗和物耗，大幅提升科研效率。

統(tǒng)籌安排建立化學實驗網(wǎng)絡共享平臺更具有特別的意義?；瘜W實驗安全、化工生產(chǎn)安全及其產(chǎn)品應用安全，不僅是一個自身安全問題，也關(guān)乎生態(tài)環(huán)境和社會安全。如何管控化工材料是化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點和難點。如果將化學實驗室搬進元宇宙中，有“身份”工作人員可以進入元宇宙進行實驗，無限制地使用各種類型的工具和材料，不僅可以突破現(xiàn)實環(huán)境的制約，大幅度降低成本，也大幅降低相關(guān)安全風險，給新材料和化工科研工作者帶來巨大的福音。部分“身份”人員可以自我構(gòu)建專項實驗室或選擇自己喜歡的實驗環(huán)境。

同樣，還可以把要求十分苛刻的病理實驗室搬入元宇宙……

因此筆者認為，元宇宙的最大價值就是在于利用虛擬仿真技術(shù)還原自然科學的規(guī)律。絕不是讓人類生活在虛幻的世界里，而是讓人們在虛擬現(xiàn)實中多快好省地探索求真。元宇宙將吸引越來越多的人進入虛擬仿真的科學實驗當中來，追求無窮無盡的科學真理。未來的科學必定會在元宇宙的推動下有一次巨大的飛躍。正因為元宇宙是一項“技術(shù)集成”的系統(tǒng)工程，它的構(gòu)建必須進行頂層設計、提前布局、統(tǒng)籌安排。能夠快速組織和推動它的建設和發(fā)展，也正是我們國家的制度優(yōu)勢所在。