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VRIH丨【瑞典乌普萨拉大学吕智涵团队】通过各种尺度、状态、关系的数字孪生构建元宇宙
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近日，瑞典乌普萨拉大学吕智涵团队在期刊Virtual Reality & Intelligent Hardware发表题为“Building the Metaverse by Digital Twins at All Scales, State, Relation”的文章，该文章分析了元宇宙的构建，结合数字孪生在各个方面的应用，认为可以通过数字孪生更好地将现实世界中有形和无形的事物映射到元宇宙中。
01 研究背景
正如中国古代哲学家老子在《道德经》中所说：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。这说明了道生万物的逻辑和顺序。它意味着任何事物都是一个从小到大，从简单到复杂的过程。Meta的本意是超越，这里的Meta在“Metaverse”中的意思是“道”，是宇宙万物的本源。元宇宙的构建采用数字孪生将现实世界完全孪生到虚拟空间中。通过数字孪生与现实世界中的映射物之间的实时通信，元宇宙实现了虚拟空间与现实世界相同的状态，从而构建了一个现实与虚拟相结合的数字空间。
数字孪生是基于数据连接的物理实体或过程的数字化表达，是根据现实世界实体创建的虚拟“克隆”。创建数字孪生可以让我们研究物理物质或过程的整个生命周期，也可以让我们在虚拟世界和现实世界之间无缝传输数据，实现实时和双向的信息反馈。
数字孪生与元宇宙密切相关，呈现出多种表现形式。迄今为止最大最真实的宇宙学模拟系统Uchuu研制成功，达到可观测宇宙四分之三的规模，涵盖138亿年的宇宙历史演化。这不仅为实现宇宙尺度的数字孪生提供了有力的工具，也为元宇宙的构建提供了更广泛的时空参照。此外，在量子力学中，量子纠缠使两个量子粒子相连。当其中一个受到影响时，无论另一个在哪里，都会立即被感知到，就像在元宇宙中实现了现实与虚拟世界的沟通。最初，这种信息状态的交流类似于一种瞬时传递，但最新研究表明，这种传递可能不是瞬时的，而是一个连续的过程。在这个过程中的某个时刻，两个粒子将处于完全相同的状态。可以理解为虚拟世界中现实世界和虚拟世界的完全一致。从这个角度来看，量子纠缠是一种数字孪生的实现，也是元宇宙的一种体现。
数字孪生应该摆脱航空航天、工业、医疗、城市发展等现有领域的束缚，实现双向扩展的渐进过渡。一方面，需要在宏观层面实现全宇宙与数字孪生的融合。另一方面，也应实现分子与数字孪生的结合，突破现有规模。跨学科、跨领域的采集设备为数字孪生系统的信息采集提供了广泛的来源。从不同精度显微镜下的人体分子、细胞、组织、器官和结构，到全景相机下的城市街道和地域面貌，到地球观测卫星下的地球，再到望远镜下的恒星行星、太阳系和太空。如图1所示，这是一个从微观到宏观的不同的尺度渐变过程。它包括从亚原子、中微子、量子点到日地系统乃至整个宇宙的完整演化层次，而数字孪生体则通过从中尺度到两个相对尺度的研究进一步被赋予了灵活性。
图1：从微观到宏观的渐变过程。图中的3D分子模型是从UnityMol生成的，其他3D模型是从网上下载的
图2：构建不同形态的数字孪生
02 结果及意义
元宇宙和数字孪生虽然着眼于现实世界和虚拟世界的连接和交互，但两者的本质区别在于，元宇宙直接面向人，而数字孪生面向物。元宇宙概念代表了下一代互联网的发展方向，在数字孪生的加持下，两大技术体系将在未来的第四次工业革命中相得益。
技术的发展是是“轮回”，正如虚拟现实在低迷时期不断融合新技术一样，现在虚拟现实已经成为构建数字孪生和元宇宙的有效技术体系。从软件的角度来说，虚拟社区是在2006年因第二人生的火爆而火起来的，然后在十余年的低谷期不断融合新技术演变成现在火爆的元宇宙。虚拟社区和元宇宙同样重视人与人之间的虚拟交互。在硬件方面，早期的虚拟现实设备CAVE为了提供沉浸感花费了很多资金。后来，当以虚拟现实眼镜为代表的虚拟现实设备成本下降，降低了用户的经济门槛，迎来了虚拟现实的普及元年。当大多数用户接受虚拟现实时，对多模态沉浸的需求使得像CAVE这样的设备开始被重新重视。
基于上述特点，数字孪生正受到新兴技术的补充和推动，不断优化其发展路线，逐步丰富其内涵。
无论是从固体到液体，还是从宏观到微观，传感器的构造在很大程度上不仅决定了物理产品的数字化表达，而且是实现产品价值的关键。数字孪生和元宇宙的实现。未来，新型传感器的研发将显得尤为必要和关键。多样性和灵活性特征应进一步作为下一代传感器制造的重点。同时，这也是目前最大的挑战，决定着虚实场景交互和信息交互的方式和表现。通过一些辅助技术和数字孪生系统的相互嵌入和兼容，从数据出发，实现第二现实下的新生态和更广阔的元宇宙。
同时，还有几个方面应该是未来发展的重点，包括多领域前沿知识的结合、实时信息传递和模型构建、通用性等。数字孪生以全新的数字方式构建物理实体的虚拟对象。多种传感器设备为数据采集提供了便捷的途径，同时形成了特殊的物联网系统。数字孪生、物联网、虚拟现实、区块链、人工智能等新兴技术汇聚，形成更加成熟的研发体系。利用逐步过渡和发展，真正实现了从宏观到微观、从固体到液体的柔性数字孪生，从而构建出真实的元宇宙。
文章详情
Building the Metaverse by Digital Twins at All Scales, State, Relation.
Lv, Z., Xie, S., Li, Y., Hossain, M. S., & El Saddik, A. (2022).
下载原文
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2096579622000602
作者简介
吕智涵博士，IEEE高级会员，英国计算机学会会士，美国计算机协会杰出演讲者，连续四次入选斯坦福全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜，爱思唯尔中国高被引学者，科睿唯安全球高被引科学家。曾担任法国国家科学研究中心研发工程师，瑞典于默奥大学博士后，西班牙FIVAN基金会资深研究员，英国伦敦大学学院博士后，西班牙巴塞罗那大学博士后，中科院深圳先进院助理研究员。获得欧盟玛丽居里学者称号。共发表高质量论文200余篇。包括中科院一区期刊论文80篇。90篇论文发表于计算机顶级期刊IEEE/ACM Transactions上。参与项目总金额约1.6亿元人民币。授权专利四项。获20多个国内外奖项，包括8次最佳论文奖。担任30多个高水平期刊的编辑(包含主编，领域编辑，副编辑，首席客座编辑)，包括5个中科院一区期刊和10个IEEE期刊。担任30多次会议的副主席或TPC成员。担任中国自己的虚拟现实期刊Virtual Reality & Intelligent Hardware编委。担任KeAi出版社Internet of Things and Cyber-Physical Systems期刊的创刊主编，文章都被Elsevier出版，编委会由来自20个国家的63位专家组成，包括10位IEEE Fellow。审稿400余次。作受邀报告80多次，并为国际会议作了20次大会主题报告。指导研究生获各类奖项20余项。
Abdulmotaleb El Saddik是加拿大皇家学会院士，加拿大工程院院士，加拿大工程学院院士，IEEE会士，ACM杰出科学家。他是渥太华大学电气工程与计算机科学学院的大学研究主席和教授，是多媒体通信研究实验室 (MCRLab) 和分布式与协作虚拟环境研究实验室 (DISCOVER) 的主任。他是ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications and Applications (ACM TOMCCAP)主编、IEEE Transactions on Computational Intelligence and AI in Games (IEEE TCIAIG) 的副主编，以及多个IEEE Transactions和期刊的客座编辑。El Saddik博士一直在众多IEEE和ACM活动的多个技术项目委员会任职。他曾担任30多个关于协作触觉视听环境、多媒体通信以及仪器和测量的国际会议研讨会和研讨会的总主席和/或技术项目主席。他是ACM MM 2008的联合主席和ACM MM 2023大会主席。他是触觉、面向服务的架构、协作环境和环境交互媒体与通信领域的首席研究员。他撰写和合着了三本书和350多篇出版物。他获得了总计超过1700万美元的研究资助和合同，并指导了100多名研究人员。他曾获得多个国家和国际奖项，包括 IEEE 加拿大 CC Gotlieb 计算机奖章和 IEEE 加拿大 AGL McNaughton 金奖。
期刊简介
https://www.keaipublishing.com/en/journals/virtual-reality-and-intelligent-hardware/
Virtual Reality & Intelligent Hardware（VRIH）2019年2月创刊，是由中国科技出版传媒股份有限公司和北京航空航天大学联合主办，北京中科期刊出版有限公司出版的国际学术期刊。
期刊恪守着 “展示和促进虚拟现实和智能硬件领域杰出的科学研究与应用” 的宗旨，为研究人员、专业人士和行业从业者搭建了一个面向全球展示科研成果及进行深度学术交流的平台。
目前期刊已被EI、DOAJ、DBLP、Scopus等重要数据库收录。
https://blog.sciencenet.cn/blog-3496796-1383665.html
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