数字孪生——元宇宙与现实的耦合之道

2021年席卷的元宇宙热潮,让数字孪生与AR/VR、人工智能、云计算等概念一起“翻红”。那么,究竟什么是数字孪生?它与元宇宙又有什么异同?对元宇宙又有什么促进作用呢?本文将对这些问题进行梳理解答,希望对读者有所启发和帮助。

图片来源:由无界版图 AI 生成

一、数字孪生概述

数字孪生,英文名为Digital Twin,目前对其较为公认的概念描述为:数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科、多尺度的仿真过程,它作为虚拟空间中对实体产品的镜像,反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。(注1)

简而言之,数字孪生就是在信息化平台的基础上,将实物(本体)进行数据化,创造一个数字版的“孪生体”(Twin Object),并将实物和孪生体之间进行双向链接,孪生体可以根据实体的相关数据进行实时动态变化,而孪生体的相关数据变化也会反馈给实物。

数字孪生最大的特点是,数字孪生是对本体的动态仿真,也即,数字孪生体是可以实时变化的,其会根据本体的物理设计模型、本体传感器反馈的数据、本体运行的历史数据等进行跟随时间线的反应。

数字孪生的价值在于利用映射现实的技术,用迭代、进化的方式对实体对象(包括但不限于工厂、园区到城市的物理空间等)进行全面观测,洞察其发展态势,进而科学分析、预测、决策,实现以虚拟网络的管控来提升实体的运行效率的效果。

举例而言,数字孪生技术在融合物联网、传感器、定位、社交内容等动态数据并采用游戏级引擎的渲染和现实增强后,能够让构建的数字空间具有高保真、高聚合的特性,既可以对现实世界完成映射,还可以对现实空间进行全息透视,进而使得在智慧工厂与城市管理场景时,能够实现模拟与耦合事件,并以多个维度进行数字化监测与管理。

二、数字孪生与元宇宙的异同

无论是数字孪生还是元宇宙,共同之处是都需要以数据及数字技术为基础,实质都是人工智能、5G通信、区块链、云计算、物联网、大数据、VR/AR、脑机接口等技术的交叉作用、相互促进的结果。在此基础上,数字孪生和元宇宙均可理解为是对物理世界进行模拟仿真、进行可视化感知与交互的过程,因此其底层支撑技术的原理是通用的。


从虚实结合的程度而言,数字孪生是对唯一现实世界物理元素的复制,它首先面向物,强调物理真实性,通过跟踪或模拟现实世界运作,致力于优化现实世界的生产、决策效率以及用户体验等,它的最终产物是作为现实世界镜像的“克隆宇宙”。换句话说,数字孪生是现实世界中的实体对象在数字世界中所对应创建的精确副本及真实反馈,其不能脱离现实世界而独立存在。

如果说数字孪生更强调对现实世界的映射,那么元宇宙则更强调真实和虚拟的融合。元宇宙既可参照现实世界的物理元素,也可参照真实或假想的逻辑(如超现实、科幻、幻想等),进而对现实世界进行复制和修改,从而打造出一个集体的、虚拟的共享空间。它直接面向人,强调视觉沉浸性、展示丰富的想象力和沉浸感,呈现的是一个超现实、科幻、脑洞大开的“多元宇宙”。因此,元宇宙,尤其是发展到高端阶段的元宇宙,必将是一个可以独立、自主且持续存在的虚拟环境,即使不参与其中,它也依然客观存在。

从发展形态而言,数字孪生是以信息世界严格、精确映射物理世界和事件过程为框架和基础,无论是工业制造,还是城市管理,其都属于基于实时客观数据的动态进程,通过与人工智能结合的挖掘分析和深度学习从而进一步模拟情境和决策,以改进现实或更好适应现实,最终实现自动控制或自主决策控制,终极形态是自主孪生。

而元宇宙既可以以现实物理世界为数字框架,也可以完全塑造全新的理念数字世界,终极形态是基于数字世界实现的原生社会,其中每个居民拥有唯一、独立的数字身份和数字感知体,可共同在线社交并继续社会建设,具有理念和想象特征。

三、数字孪生对元宇宙的促进作用

尽管数字孪生与元宇宙有着种种差异,但数字孪生可以在元宇宙的发展进化过程中发挥重要的作用。可以说,数字孪生正是构建元宇宙(尤其是现阶段即“数字孪生阶段”的元宇宙)的核心技术,甚至可以说是元宇宙耦合物理世界的基石。

从感知及交互角度而言,在目前的二维互联网环境下,用户通过平面图形界面进行人机交互操作;而在“元宇宙”的高度发展形态下,数字模拟需要支持人类有以假乱真增强现实体验,即将“感知”转化为交互界面,从而形成“感知即交互”。此时,数字孪生在元宇宙构建过程中将担当现实仿真的技术范式和混合虚拟的现实框架基础。

从搬运物理世界而言,元宇宙将互联网、游戏、社交网络和虚拟技术等融合在一起,造就了一种全新的、身临其境的数字生活。想要构建一个与现实世界高度贴合甚至是超越现实世界的“元宇宙”,前提是需要大量的数据模拟和强大的算力来1:1创造一个虚拟世界,此过程中的关键核心点即为数字孪生,数字孪生技术能够将现实世界镜像到虚拟世界里面去,以此构建细节极致丰富的拟真的环境,营造出沉浸式的在场体验,因此数字孪生是构成元宇宙社会活动体系的基础支撑系统。换而言之,数字孪生技术的成熟度,决定了元宇宙在虚实映射与虚实交互中所能支撑的完整性。

数字孪生与元宇宙存在种种差异,不能混为一谈。然而,二者看似竞争,实则融合。元宇宙注重结合虚拟世界和现实世界,而数字孪生正是实现该想法的基石技术。从另一个角度而言,数字孪生技术也需要融合元宇宙的先进理念,进一步关注人与物的交互体验,从而促进数字孪生技术的突破。相信随着数字孪生与元宇宙相辅相成下的进一步发展,一个虚实融合、身临其境、无比沉浸的元宇宙世界,终将到来。