随着电影《瞬息全宇宙》荣获奥斯卡金像奖七项大奖，“元宇宙”这个词再次吸引了观众们的注意。从2021年“元宇宙”开始变得火热到现在已经近两年时间，由于元宇宙这个词所代表的范畴很大，所以每家公司、每个研究人员都自称跟“元宇宙”相关。那到底什么是真正的元宇宙呢？
近日，瑞典乌普萨拉大学副教授吕智涵 (Zhihan Lv) 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，分析了元宇宙的构建，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。
吕智涵教授对元宇宙的定义源于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。在“元宇宙”中的“元”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技术将现实世界完全“克隆”到虚拟空间中，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元宇宙。
在元宇宙的大背景下，数字孪生应该实现尺度上的双向扩展。一方面，需要在宏观尺度实现全宇宙的数字孪生。另一方面，也应实现微观尺度的分子的数字孪生。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亚原子、中微子、量子点到人体分子、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。这是一个从微观到宏观的不同的尺度渐变过程。
现实中各种状态的有形或者无形的物质也应该在元宇宙中生成数字孪生，不仅有固态物质，还有液态、气态、等离子态以及其他不确定状态的物质，比如电、火、光、风、磁场。另外，元宇宙除去物质层面，还包含了社会关系，这其中既有友情、爱情、血缘即人类个体关系层面，还有伦理、道德、宗教、法律即整个社会关系层面。此外量子纠缠也是一种数字孪生的实现，也是元宇宙的一种体现。
吕教授认为：技术的发展是“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。
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。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。
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。
基于以上观点，吕教授在另一篇论文中提出了一种非突变的多维哈希地理编码方法，以解决多尺度空间数据处理面临的一些挑战，允许对多维信息进行唯一索引，避免因数据降维而导致的信息丢失，同时提高信息检索效率，并通过空间数字孪生促进元宇宙的实现。吕教授还提取了区块链的不可变特性，提出了一种名为区块网的安全多维数据存储解决方案，可以保证物联网数字测绘过程的安全性，从而提高数字孪生的数据可靠性。
吕智涵博士是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。获得欧盟玛丽居里学者称号。共发表高质量论文200余篇。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。担任30多次会议的副主席或TPC成员。担任KeAi出版社Internet of Things and Cyber-Physical Systems期刊的创刊主编。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。
合作者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 TOMM主编、IEEE TCIAIG的副主编。他是ACM MM 2008的联合主席和ACM MM 2023大会主席。他撰写和合著了三本书和350多篇出版物，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。
