摘要：随着互联网从20世纪90年代到现在的迅速发展，各种创新技术应运而生，通过网络空间中的虚拟交互为用户带来令人惊叹的体验。许多具有数千种服务和应用程序的虚拟环境，从社交网络到虚拟游戏世界，都是通过沉浸式体验和数字化转型而开发的，但大多数是不连贯的，没有集成到一个平台中。在这种背景下，由元（Meta）和宇宙（Universe）结合而成的术语“元宇宙”（Metaverse）诞生，它是由5G及下一代网络、虚拟现实和人工智能等新兴技术推动建立的共享虚拟世界。其中，人工智能已显示出在处理大数据以增强沉浸式体验并实现虚拟代理的类人智能上的重要性。因此，本文将首先概述人工智能的研究进展及其在元宇宙中的作用，然后重点介绍自然语言处理、机器视觉、区块链、网络、数字孪生和神经接口等技术如何赋能元宇宙，最后介绍人工智能元宇宙在医疗保健、制造业、智慧城市和游戏等领域的现实应用。
关键词：元宇宙，人工智能，深度学习，机器学习
目前，元宇宙被定义为一个共享的3D虚拟世界，甚至是多个跨平台的世界，可以通过互动和协作活动为用户提供全面的沉浸式体验。除了固定在虚拟世界中的虚拟场所和建筑外，许多其他实体，如物体、用户身份和数字商品，可以在不同的虚拟世界之间进行交换，甚至反映到现实世界中。近年来，虚拟世界出现了前所未有的爆炸式增长，主要来自3D游戏，硬件的改进（例如，大数据存储基础设施、无线通信网络、内置传感器和图形处理单元（GPU））和软件的优化（例如，通信资源分配、语言处理和计算机视觉）能更扎实、更有创意地构建虚拟世界。不同于传统的元宇宙模式因数据不足而限制了沉浸式体验，新模式不仅为企业（用户自由创作内容）产生了巨大的新用户和行为数据源，而且为在不同领域部署人工智能提供了良好的基础。此外，为现代元宇宙构建的标准平台应满足以下特征：虚拟世界、持久性、可扩展性、始终在线与同步性、财务补贴、去中心化、安全性和互操作性。一个元宇宙平台可以包括以下层次（见图1）：
图1 元宇宙的7个层次
人工智能技术在元宇宙中的作用
现有的人工智能/机器学习算法可以分为两个领域：传统技术和先进技术。传统技术是指监督学习、无监督学习、半监督学习和强化学习。先进技术是指深度学习，深度学习是人工智能和机器学习的子集，与传统的机器学习技术不同，深度学习可以自动学习非结构化数据的底层特征，而无需人工干预或人工领域知识。深度学习的高度灵活架构允许学习系统直接处理原始数据，并在提供足够数据的情况下提高学习性能，比较著名的架构有循环神经网络(RNN)、卷积神经网络(CNN)、自组织映射(SOM)和自动编码器。
人工智能在元宇宙中应用广泛。例如，许多监督学习和非监督学习算法被应用于语音识别和其他语言处理任务的分类和回归模型，以使系统智能体能够理解用户命令。通过由多个设备（例如移动设备、智能手表和其他可穿戴设备）收集的基于传感器信号的输入数据，某些应用可以分析和学习人类行为的复杂模式，例如识别用户在虚拟世界中的活动和互动。深度学习也在计算机视觉领域取得了相当大的成功，被广泛用于无线通信、人机交互、游戏和金融等领域。例如英伟达推出的深度学习超级采样(DLSS)技术，该技术在利用深度学习和其他人工智能算法来提高帧速率的同时还能保证图像的色彩和清晰度，从而有可能改善元宇宙的视觉体验。为加速布局元宇宙，Meta引入超算“AI研究超级集群（RSC）”,可帮助AI研究人员和科学家从大量数据（包括文本、语音、图像、视频）中为各种服务/应用程序开发更好的深度学习模型,所有来自RSC的成果都将用于构建元宇宙平台。
人工智能技术在元宇宙中的应用
应用在元宇宙中的主要人工智能技术有：自然语言处理、机器视觉、区块链、网络、数字孪生和神经接口。
图2 元宇宙中的主要技术
1.自然语言处理（NLP）
在元宇宙中，应用NLP技术的聊天机器人能理解各类情境下的人类对话，可以回答有细微差别的问题并从交互中学习以提高响应质量。作为NLP中最重要任务之一的语言建模通过捕获前面的单词、单元的句法和语义关系来预测单词或简单的语言单元，有助于进行机器翻译和文本推荐。除了单词感知语言模型外，许多字符感知模型已经引入了人工智能算法来处理世界上的多种语言。一般而言,字符感知和单词感知建模技术允许NLP系统为元宇宙中的一些常见任务提取句法和语义信息,例如语音部分标记、命名实体识别和语义角色标记。深度学习也已被进一步利用来克服传统机器学习算法的学习限制，并有效地处理NLP中的许多具有挑战性的任务，例如情绪预测和问题类型分类。
2.机器视觉
结合计算机视觉和扩展现实（XR），是奠定元宇宙基础的核心技术之一。通过抓取和处理视觉环境（通过光学显示器和视频播放器）感知的原始数据来推断高级信息，然后通过头戴式设备和其他设备（例如智能眼镜和智能手机）向用户显示。事实上，计算机视觉允许XR设备在有价值的视觉信息的基础上分析和理解用户活动。作为虚拟世界中的化身，用户可以在元宇宙中的3D地图上自由移动并与虚拟对象进行交互。
- 扩展现实（XR）：XR包含AR（增强现实）、VR（虚拟现实）、MR（混合现实）。尽管为 VR 和 AR 提供了一些革命性的体验，但相同的原始技术正在推动MR的创新和发展。AR 提供物理世界中的图形、视频流和全息图体验，而VR提供数字世界中完全沉浸式的观看体验，MR可以提供 AR 和 VR 之间的过渡体验。与这些技术一起，用户可以在物理世界和数字世界中体验元宇宙并享受多样化的服务。虽然扩展现实和人工智能是不同的领域，但它们可以结合起来，在元宇宙中实现完全身临其境的体验。
- 计算机视觉：在过去的几十年里，计算机视觉得到了人工智能的加持，深度学习网络架构通过高性能GPU高效地提高视觉系统的整体精度。一些基础的计算机视觉技术有可能增强虚拟世界中人类用户的体验，从而使物理现实世界中的用户能与数字世界中的虚拟环境顺利交互。
3.区块链
在虚拟世界中，大量数据（如视频和其他数字内容）被VR设备获取，通过网络传输并存储在数据中心，若没有任何安全和隐私保护机制，可能成为网络攻击的敏感目标，而区块链的独特功能，再加上人工智能技术的加持，有望解决元宇宙中的安全和隐私问题。此外，服务提供商向用户提供的许多创造性活动将产生大量的元宇宙内对象/项目（又名数字资产），这些对象/项目应通过区块链中的智能合约进行记录和跟踪以确保交易的透明度。
4.网络
元宇宙为大量用户提供通过无线网络访问普适网络的服务。在过去十年中，已经引入了几项创新技术来提高无线通信和网络系统的整体性能，其中人工智能已被广泛用于网络架构的多个层次。元宇宙中的实时多媒体服务和应用程序通常需要具有高吞吐量和低延迟的可靠连接，以保证基本的用户体验。5G网络的峰值数据速率应在10Gbps（千兆位/秒）左右，端到端时延不能超过10ms（毫秒）。在这种情况下，超高可靠和低延迟通信 (uRLLC) 是开发新兴任务关键型应用程序的基础。目前，已经引入了几种优化算法来在5G/6G网络中实现 uRLLC，但其中大多数都需要大量的计算资源。机器学习和深度学习已显示出巨大潜力：既能在5G/6G网络中有效处理挑战性的任务（例如智能无线电资源分配），又能满足极低延迟。未来或可借助机器学习算法和深度学习架构解决uRLLC等挑战，让用户在元宇宙体验一流的综合服务。
5.数字孪生（DT）
作为现实世界实体的数字表示，DT可以将经营性资产、流程和系统以及一些常规操作（例如监控、可视化、分析和预测）与现实世界同步。DT位于现实世界和虚拟世界通过物联网连接进行交互的中心,因此现实世界中的任何变化都将在数字表示中被驳回。凭借这些独特的属性，DT被视为虚拟世界的基本构建部分之一，并通过创建对现实的精确复制（包括结构和功能）作为用户进入和享受虚拟世界服务的门户。借助人工智能，DT可以提高系统性能、减少流程、最大限度地降低维护成本并优化业务和生产。
6.神经接口
技术增强了人类的体验，充分填补了元宇宙中现实与虚拟世界之间的差距。在这种背景下，最受欢迎的沉浸式体验工具是带有控制器的VR头显。目前，许多科技公司都在关注能够超越VR设备的神经接口，即所谓的脑机接口(BMI/BCI),其几乎可以消除人类和可穿戴设备之间的所有界限。许多脑机接口通过附着在颅骨和人体其他部位的外部电极或光学传感器检测神经信号。通过这些能初步读取和控制思想的工具，脑机接口可以通过经颅电磁脉冲操纵思想。除了预处理阶段的数据工程技术外，模式识别阶段的人工智能/机器学习算法也可以精确地分析复杂敏感的神经信号。
人工智能元宇宙在现实中的应用
人工智能元宇宙目前在医疗保健、制造业、智慧城市和游戏等领域有一定的应用。
1.医疗保健
健康行业最近开始开发一些革命性的技术，比如在软件和硬件上将VR与大数据、人工智能相结合，以提高医疗设备的熟练程度，降低医疗服务成本，改善医疗运营并扩大服务范围。从2D环境到3D虚拟世界，元宇宙允许用户沉浸式地学习、理解和分享患者的健康状况和医疗报告。通过VR/XR系统，人工智能在许多医疗领域发挥着至关重要的作用，例如提高诊断效率、提供更准确和快速的医疗决策、提供更好的实时医学放射成像，并支持更方便的模拟环境来教育实习生和医学生。此外，人工智能已应用在许多用于医疗保健、健康服务的可穿戴设备中，用于自动识别复杂的感官数据模式。
2.制造业
制造业数字化转型是大势所趋，机器和系统之间的数字化连接可以更好地分析和理解物理实体。与通过数字操作来增强物理世界的数字转换不同，元宇宙基于现实交互和持久性的基础，创建了一个被转换到物理世界的虚拟世界。在当前的数字革命中，通过采用人工智能和数字孪生等尖端技术，用于制造业的元宇宙可以显著实现数字运营现代化。如今，许多制造工厂已经开发出工业协作机器人来承担不同的高级任务，这些任务需要人类更多的认知技能、智能和领域知识，才能立即高精度地响应意外行为或事件。因此，对于制造过程和生产线的不同关联任务，需要一个协作的人工智能模型从多模态数据中学习复杂的模式，其中的人工智能模型应该具备解释和推理的能力。通过元宇宙中的虚拟实体，工业制造效率普遍借助人工智能获得提高，并加快了生产过程设计，激发了协同产品开发，降低了质量控制的操作风险，为生产者和客户提供了高透明度。
3.智慧城市
智慧城市通过物联网、摄像机、社交媒体和其他来源获取有关公民需求的有意义的信息。政府根据从用户处自动收集的信息来改进服务。通过使用更多的数字工具和开创性技术，智慧城市将通过元宇宙平台为用户提供更智能的交互服务，例如智能交通系统、智能路灯管理系统、自动泊车系统、智能社区门户、室内外视频监控系统。目前,尽管这些技术对智慧城市的实际影响和收益仍有限，但元宇宙可以促进智能服务在市民日常生活中的应用。
4.游戏
人工智能与传统的机器学习和创新的深度学习算法在多个方面对游戏体验进行了前所未有的革命：提高 NPC(非玩家角色）的智能化、对复杂系统进行建模、使游戏更加美观合理、进行更逼真的人与NPC交互、降低构建游戏世界的成本、为手游开发提供更多机会等。比如一些主要的人工智能算法（如决策树、模糊逻辑、马尔可夫模型、基于规则的系统和有限状态机）被用于游戏建模流程、游戏动机评估、沉浸式体验评估、游戏策略调整等游戏开发任务中。
除了以上领域，元宇宙还在商业、人力资源、房地产、去中心化金融等领域发挥着作用。目前，已有Decentraland、Sandbox、Realy、Star Atlas、Bit.Country 、DeHealth等元宇宙项目提供游戏、房地产、医疗等领域的服务和应用。
人工智能元宇宙未来发展趋势
人工智能在强化系统基础设施、提升3D沉浸式体验以及丰富元宇宙中的内置服务方面具有巨大潜力。当前的大多数元宇宙项目都限制用户在虚拟世界中探索、拥有和定制事物。未来，用户将可以在人工智能的帮助下轻松快速地创建超现实对象和内容以创造独特的体验。值得注意的是，在元宇宙中，许多人工智能辅助服务和应用程序的决策由AI智能体做出，这些决策并不具备可解释性。为了克服这一问题，可解释的人工智能（Explainable Artificial Intelligence, XAI）必不可少。除了增强用户信心、提高模型可审计性和运营效率外，XAI还降低了元宇宙中生产内容的法律风险和安全威胁，同时保证了良好的用户体验。 |
