數字孿生——元宇宙與現實的耦合之道

2021年席捲的元宇宙熱潮，讓數字孿生與AR/VR、人工智能、雲計算等概念一起“翻紅”。那麼，究竟什麼是數字孿生？它與元宇宙又有什麼異同？對元宇宙又有什麼促進作用呢？本文將對這些問題進行梳理解答，希望對讀者有所啟發和幫助。

圖片來源：由無界版圖 AI 生成

一、數字孿生概述

數字孿生，英文名為Digital Twin，目前對其較為公認的概念描述為：數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。（注1）

簡而言之，數字孿生就是在信息化平台的基礎上，將實物（本體）進行數據化，創造一個數字版的“孿生體”（Twin Object），並將實物和孿生體之間進行雙向鏈接，孿生體可以根據實體的相關數據進行實時動態變化，而孿生體的相關數據變化也會反饋給實物。

數字孿生最大的特點是，數字孿生是對本體的動態仿真，也即，數字孿生體是可以實時變化的，其會根據本體的物理設計模型、本體傳感器反饋的數據、本體運行的歷史數據等進行跟隨時間線的反應。

數字孿生的價值在於利用映射現實的技術，用迭代、進化的方式對實體對象（包括但不限於工廠、園區到城市的物理空間等）進行全面觀測，洞察其發展態勢，進而科學分析、預測、決策，實現以虛擬網絡的管控來提升實體的運行效率的效果。

舉例而言，數字孿生技術在融合物聯網、傳感器、定位、社交內容等動態數據並採用遊戲級引擎的渲染和現實增強后，能夠讓構建的數字空間具有高保真、高聚合的特性，既可以對現實世界完成映射，還可以對現實空間進行全息透視，進而使得在智慧工廠與城市管理場景時，能夠實現模擬與耦合事件，並以多個維度進行數字化監測與管理。

二、數字孿生與元宇宙的異同

無論是數字孿生還是元宇宙，共同之處是都需要以數據及數字技術為基礎，實質都是人工智能、5G通信、區塊鏈、雲計算、物聯網、大數據、VR/AR、腦機接口等技術的交叉作用、相互促進的結果。在此基礎上，數字孿生和元宇宙均可理解為是對物理世界進行模擬仿真、進行可視化感知與交互的過程，因此其底層支撐技術的原理是通用的。

從虛實結合的程度而言，數字孿生是對唯一現實世界物理元素的複製，它首先面向物，強調物理真實性，通過跟蹤或模擬現實世界運作，致力於優化現實世界的生產、決策效率以及用戶體驗等，它的最終產物是作為現實世界鏡像的“克隆宇宙”。換句話說，數字孿生是現實世界中的實體對象在數字世界中所對應創建的精確副本及真實反饋，其不能脫離現實世界而獨立存在。

如果說數字孿生更強調對現實世界的映射，那麼元宇宙則更強調真實和虛擬的融合。元宇宙既可參照現實世界的物理元素，也可參照真實或假想的邏輯（如超現實、科幻、幻想等），進而對現實世界進行複製和修改，從而打造出一個集體的、虛擬的共享空間。它直接面向人，強調視覺沉浸性、展示豐富的想象力和沉浸感，呈現的是一個超現實、科幻、腦洞大開的“多元宇宙”。因此，元宇宙，尤其是發展到高端階段的元宇宙，必將是一個可以獨立、自主且持續存在的虛擬環境，即使不參與其中，它也依然客觀存在。

從發展形態而言，數字孿生是以信息世界嚴格、精確映射物理世界和事件過程為框架和基礎，無論是工業製造，還是城市管理，其都屬於基於實時客觀數據的動態進程，通過與人工智能結合的挖掘分析和深度學習從而進一步模擬情境和決策，以改進現實或更好適應現實，最終實現自動控制或自主決策控制，終極形態是自主孿生。

而元宇宙既可以以現實物理世界為數字框架，也可以完全塑造全新的理念數字世界，終極形態是基於數字世界實現的原生社會，其中每個居民擁有唯一、獨立的數字身份和數字感知體，可共同在線社交並繼續社會建設，具有理念和想象特徵。

三、數字孿生對元宇宙的促進作用

儘管數字孿生與元宇宙有着種種差異，但數字孿生可以在元宇宙的發展進化過程中發揮重要的作用。可以說，數字孿生正是構建元宇宙（尤其是現階段即“數字孿生階段”的元宇宙）的核心技術，甚至可以說是元宇宙耦合物理世界的基石。

從感知及交互角度而言，在目前的二維互聯網環境下，用戶通過平面圖形界面進行人機交互操作；而在“元宇宙”的高度發展形態下，數字模擬需要支持人類有以假亂真增強現實體驗，即將“感知”轉化為交互界面，從而形成“感知即交互”。此時，數字孿生在元宇宙構建過程中將擔當現實仿真的技術範式和混合虛擬的現實框架基礎。

從搬運物理世界而言，元宇宙將互聯網、遊戲、社交網絡和虛擬技術等融合在一起，造就了一種全新的、身臨其境的數字生活。想要構建一個與現實世界高度貼合甚至是超越現實世界的“元宇宙”，前提是需要大量的數據模擬和強大的算力來1:1創造一個虛擬世界，此過程中的關鍵核心點即為數字孿生，數字孿生技術能夠將現實世界鏡像到虛擬世界裡面去，以此構建細節極致豐富的擬真的環境，營造出沉浸式的在場體驗，因此數字孿生是構成元宇宙社會活動體系的基礎支撐系統。換而言之，數字孿生技術的成熟度，決定了元宇宙在虛實映射與虛實交互中所能支撐的完整性。

數字孿生與元宇宙存在種種差異，不能混為一談。然而，二者看似競爭，實則融合。元宇宙注重結合虛擬世界和現實世界，而數字孿生正是實現該想法的基石技術。從另一個角度而言，數字孿生技術也需要融合元宇宙的先進理念，進一步關注人與物的交互體驗，從而促進數字孿生技術的突破。相信隨着數字孿生與元宇宙相輔相成下的進一步發展，一個虛實融合、身臨其境、無比沉浸的元宇宙世界，終將到來。