胡子擎

（广州市第二中学，广东广州 510530）

1 元宇宙的研究背景

1.1 研究背景与意义

元宇宙是指通过一系列科技手段，将现实中的事物与虚拟世界进行连接的数字生活空间，通过VR 等技术来实现。最早在1992 年，美国作家就在他的《雪崩》一书中提出了元宇宙的概念。当时的元宇宙在书中被称作“虚拟实境”，这个名词对后来的计算机技术产生了不可忽视的指引作用，尤其对游戏产业产生了深远影响。据花旗银行初步估算，截至2030 年，元宇宙市场规模将进一步扩大至8 万亿～13 万亿美元。可见，元宇宙处于数字化浪潮的前沿，拥有极强的发展潜力。元宇宙发展具有三大特征，即与现实世界平行、反作用于现实世界和多种高技术综合。在20世纪70 年代到90 年代这段时间里，出现了许多开放性大世界多人游戏，这些游戏中的开放世界形成了元宇宙的基础。在这之后，元宇宙概念从仅仅以小说和游戏为主，进化到了应用产品的层次。2020 年，人类社会的虚拟化达到了临界点，疫情的到来提高了新技术发展的速度，非接触式文化开始形成。据权威数据显示，到2026 年，我国虚拟现实相关的硬件、软件市场规模将达到3500 亿元。

1.2 文献研究综述

元宇宙的概念虽然诞生不久，但有关元宇宙及其相关技术与应用的文章已有多篇文献述及。郭全中等对元宇宙的诞生与发展进行了概述[1]，阐述了元宇宙的概念内涵与本质特征，分析了元宇宙得以快速发展的根本动因，对元宇宙相关利益方与产业链进行了调研，为认知元宇宙提供了一定的参考。吴江等将元宇宙相关技术应用于数字图书馆中[2]，表示通过元宇宙技术可大大拓宽现有图书馆图书获取渠道，增加读者阅读兴趣，实现真正的数字化图书馆，对元宇宙在文化传播方面的应用进行了初步探索，具有一定的实际参考价值。郑楠将元宇宙与中华传统武术相结合[3]，提出了武术+元宇宙的应用方案，从现代科技角度对中华传统武术的进一步发展进行了探索。滕姗姗从元宇宙视角对体育传媒进行了分析和思考[4]，结合元宇宙特有的技术优势，归纳了元宇宙背景下体育传媒出现的新特征，并提出相应的发展策略，具有一定的实际应用价值。赵涛提出了元宇宙技术相关的数据治理策略[5]，为快速处理元宇宙数据提供了实用化工程方法，从元宇宙视角解读了数据治理的新趋势与新挑战，具备一定的前瞻性。

2 元宇宙的概念与发展历程

2.1 元宇宙的基本概念构想

2021 年是元宇宙（Metaverse）的元年。从元宇宙的英文单词来看，它由Meta 和Verse 两个单词组成，Meta 表示超越，Verse 代表宇宙，合起来即为“超越宇宙”的概念：一个平行于现实世界运行的人造空间，也是互联网的下一个阶段。元宇宙本质上是一种通过“VR”技术打造的数字生活空间，通过可穿戴设备和区块链、云计算、数字孪生、3D 机器视觉和传感等现代科学技术，使不同个体在虚拟世界中获得一个特定身份，进行一系列社会互动。在这种沉浸式体验中，人的意识可以脱离现实世界。随着技术的发展，元宇宙的体验也将与现实世界变得越来越相似，所以元宇宙可被认为是一个平行世界，它与现实世界并不等同，却可以与现实世界交互。元宇宙目前仍处于萌芽阶段，它仍是一个不断发展、演变的概念，不同参与者将以自己的方式丰富它的内涵。

2.2 元宇宙技术发展历程

1981 年，美国数学和计算机专家弗诺· 文奇教授出版了小说《真名实姓》，其中的个体通过脑机接口进入一个可获得感官体验的虚拟世界，该小说的构思被认为是元宇宙的思想源头。“元宇宙”一词最早见于美国科幻作家斯蒂芬森1992 年的作品《雪崩》，里面首次提到了“Metaverse（元宇宙）”的概念，人们在“Metaverse”里可以拥有自己的虚拟形象；2016 年推出的Oculus Rift（一款为电子游戏设计的头戴式显示器），为虚拟现实技术在人类生活中的广泛应用提供了设备基础。历经数十年的探索，2021 年被视为“元宇宙元年”，元宇宙迎来了全新的发展阶段。2021 年初，Soul App 在行业内首次提出构建“社交元宇宙”。3 月，“元宇宙第一股” Roblox 正式在纽交所上市；同年5 月，微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉表示微软正在努力打造一个“企业元宇宙”；8 月，英伟达宣布推出全球首个为元宇宙建立提供基础的模拟和协作平台；10 月，社交媒体巨头Facebook 宣布将公司改名为Meta 并计划在5～10 年内转型成为元宇宙公司。

2022 年4 月25 日，Facebook 母公司Meta 宣布，消费者可以在其第一家“元宇宙”实体店试用和购买虚拟现实（VR）头显和其他设备；2022 年9 月，全国科学技术名词审定委员会邀请20 余位来自学界、产业界的专家，对元宇宙及核心术语概念展开了研讨。如今，已有多个国际知名咨询机构公开表示看好元宇宙的未来市场规模。如普华永道预计，2030 年，元宇宙市场规模将达到1.5 万亿美元，彭博行业则估计届时元宇宙市场规模可以达到2.5万亿美元；摩根士丹利预计，元宇宙潜在市场空间将超过8 万亿美元。未来，伴随元宇宙技术和产业成熟度的持续提高，其应用范围将逐步扩大，并不断深入。

3 基于光纤传感的可穿戴数字手术设备设计

元宇宙的基本特点在于实现真实物理世界和数字虚拟世界的交互，因而如何应用现代技术实现这种交互成为元宇宙发展的关键。目前，元宇宙世界的呈现主要依靠VR、AR 相关技术，通过他们使元宇宙世界图景展现在真实物理世界中。对真实世界进行数字建模则主要依赖于各种传感器。本节创新应用光纤这一现代信息学材料获取人体关节弯曲动作，通过光电转换测量人体关节弯曲度，实现人类手部动作的数字化建模，进而实现与虚拟世界的实时交互。

3.1 光纤传感技术介绍

光纤传感技术始于1977 年，伴随光纤通讯技术的发展而迅速进步。其基本原理是，当光纤发生曲率半径较大的弯曲，局部不满足光的全反射条件时，光线在弯曲处发生光泄露，通过检测光纤中的光衰减判断光纤的弯曲程度，从而实现相关量的检测。在通讯领域使用的光纤一般为玻璃纤维（二氧化硅），而可穿戴传感器一般使用塑料纤维，这是由于塑料光纤的衰减率较大，虽然不适合光的长距离传输，但是短距离应用可以放大微小形变，提高相关量的检测精确度。此外，塑料纤维较粗，不易在腕关节的大角度弯曲中折断。

在实际应用中，微小角度的弯曲不易引起光的泄露，继而腕部动作不易被传感器感知。所以可以通过激光刻蚀一部分的纤芯和包层，通过“刻栅”操作增大光的泄露程度。但是考虑到光纤的强度，刻槽的深度和宽度不宜过大，需要时可对光纤进行力学和光学的实验评估。

3.2 采用光纤获取肢体弯曲度

选用轻量化的光纤式传感器来完成设计。通过将光纤沿手掌骨骼固定在手背上，使手部弯曲的同时可带动光纤做出相同的动作。采用塑料可拉伸骨架作为可穿戴传感器手套的内部结构。

将一段光纤穿入骨架，到手指尖为止，同时确保光纤的可活动性来保证弯曲的拉伸空间。光纤的柔软特性使其对弯曲变形极其敏感，考虑到光纤在不同的弯曲程度下，光线在光纤内部传播的衰减率不同（在通常情况下，弯曲角度越大，衰减率越高，测量就越精准），通过在光纤上刻栅，增大其弯曲时弯曲部分的开口大小从而增加透光率，即衰减率，这样就可以通过不同的衰减率来判断手部关节的弯曲角度，最后再通过判断不同簇光纤的弯曲位置来具体定位弯曲的关节，经光电转换后关节弯曲信息被送往中央处理器实现人体肢体动作的数字三维建模，最终手部动作通过计算机模拟后在VR 眼镜中生成。

4 元宇宙的应用及展望

4.1 元宇宙在社交方面的应用

元宇宙为网络社交提供了一个新的平台。它通过搭建一个与现实平行、实时运营的虚拟世界，使人们社交的关注重心从现实生活转移到数字生活上，带来社交形式的改变。在社交元宇宙里，人们身处虚拟的场景，凭借自身的虚拟形象和个人信息参数，以及根据设置个人兴趣图谱或系统智能信息推荐，来寻找和认识志同道合的人。与传统虚拟社交（如QQ、微信、新浪微博等）相比，元宇宙相关技术使得人们不再只能隔着手机屏幕交流，从而拉近了人与人之间的社交距离，满足了人们的差异化社交需求，为人们提供了更加丰富的社交体验。综合来看，社交元宇宙为网络社交提供了一个更高维度的沉浸式的虚拟平台，为人们提供了一种沉浸式的网络冲浪体验，提升了社交的有效性与互动性。

4.2 元宇宙在教育培训领域中的应用

元宇宙在教育培训领域中的应用被称为教育元宇宙[6]，教育元宇宙将会构建以现实物理空间为核心的智慧学习空间,形成虚实共生和跨界探索的未来教育形态。首先，元宇宙通过虚拟重现，还原真实的教学环境；其次，通过虚拟仿真，凭借感官开展虚拟自主学习和小组协作，使师生与虚拟教学环境相融合，学习者从初步参与到全身体验，最终完全沉浸于虚拟场景中；最后，是虚拟联动，可以实现虚拟教学环境与现实世界的无缝对接和有机融合。教育元宇宙将会提供沉浸式的教育环境和智慧教育资源，满足学生个性化的学习需求和教师差异化教学需求，通过精准的智慧教学评价给予师生及时反馈。同时，根据当前学习状况和过往记录，及时评估并预测学习者的状态，提供教学优化方案。

4.3 元宇宙在商业购物中的应用

元宇宙在购物方面的应用是可以被预见的[7]。在元宇宙中能够创建一个虚拟的购物中心，并通过一键下单的简单操作，就能够如游戏般完成消费。此外，元宇宙还能够摆脱实体店的局限性，提供更具想象力的数字购物体验。沉浸式技术为零售电商场景提供更好的空间和载体，正在不断地优化顾客的消费体验。Gucci 与Roblox 合作推出了“The Gucci Garden Experience”虚拟展览，玩家可以自由地欣赏展览并选购心仪的单品。欧莱雅目前在推广Modiface AR 技术，帮助顾客通过虚拟化妆，选购适合自己的产品，从而极大地优化顾客的购物体验。