元宇宙的实现需要哪些MEMS技术

作者：Coventor（泛林集团旗下公司）全球MEMS业务运营及欧洲技术总监Gerold Schröpfer 博士

下一波通信和社会技术将超越2D屏幕，向依靠增强现实和虚拟现实的沉浸式体验方向发展，这个新平台也就是我们所说的“元宇宙”。元宇宙是Meta®的愿景，即与真实的物理世界连接的虚拟世界互连网络。虽然大家都在热议元宇宙，但多数人对元宇宙的功能和实现方式仍处于雾里看花的阶段。对于一部分人来说，电影《头号玩家》里所构想的世界就是他们对于“元宇宙”的认知。

元宇宙的应用

许多人对元宇宙的普遍应用持怀疑态度。但几乎每个人都可以列举出与元宇宙相关、或者元宇宙驱动的技术创新如何赋能生活中其他领域的具体例子。游戏可能是元宇宙最明显的应用案例。除此之外，元宇宙还可以帮助行动不便的人群（实际上是任何人）无需离开家中即可实现异地旅行；借助增强现实 (AR) 眼镜中的自主内置摄像头，你可以专心享受现场音乐会，不必分心进行活动录像。元宇宙的其他应用还包括恶劣工业环境中的远程机器维护、远程学习或涉及远程手术的远程医疗。总而言之，没有做不到的，只有想不到的。

2018年电影《头号玩家》（图片来源：华纳兄弟影业）

元宇宙及用户界面需求

元宇宙可以被看作是一个高度沉浸式的网络，用户可以在里面访问基于AR和VR（虚拟现实）的环境。AR包括一系列将从根本上改变我们与周围环境互动方式的技术，它意味着物理世界与数字世界的融合所带来的丰富且崭新的情景感知环境。AR和VR将推动下一代计算的发展，并不断拉近计算机与人的距离，以至于似乎感觉不到两者之间的边界。要实现这一目标，需要大量的技术创新：从能够无缝结合彼此无法区分的真实与虚拟内容的显示器，到理解用户意图的无障碍输入设备，所需的创新可谓巨大[1]。

实现这个新世界的先决条件是让AR眼镜（或其他具有可市场化外形的AR界面）等合适的用户界面成为可能。而获得全面AR体验的最大挑战之一是这些新用户界面的性能和外形，因为它们中很多都需要自定义的硅芯片来满足用户界面的尺寸和性能要求[2]。

MEMS技术与元宇宙

Yole Development[3]表示，这些AR和VR需求将在2030年之前推动下一代MEMS器件的发展。什么样的MEMS器件和技术能让元宇宙成为现实呢？让我们先回顾一下计算机界面技术的历史，再考虑它们在元宇宙中可能的发展方向。

元宇宙情景：身处异地的朋友一同下棋（图片来源：Meta公司）

人机交互 (HCI) 始于上世纪60年代的键盘，并通过80年代的图形用户界面 (GUI) 继续发展，2000年代又出现了触控技术。人机交互的下一个时代将以AR和VR为基础。构建这种类型的AR/VR界面是一项长期且艰巨的任务，根据Meta的说法，未来还需要好几年的研究[4]。

AR眼镜将成为情景感知和人工智能驱动界面发展中的关键设备。作为界面，AR眼镜将允许用户使用已选择共享的信息、推断下一步的动作，并在用户想采取行动时做出反应。多种新兴技术的融合将有利于AR眼镜的发展和应用，相关的新兴技术包括神经输入、手势追踪、动作识别、语音识别、计算机视觉，以及基于惯性传感器的手指点击和自触摸检测等新的输入技术。通过基于MEMS的惯性传感器单元和基于执行器的触觉控制，可以使具有神经运动输入的腕式设备具备光学传感和空间定位功能[3]。如果把基于MEMS的PMUTs（压电微机械超声换能器）用于基于触摸的触觉控制和状态监测，它就能成为一种进入元宇宙的方法。基于MEMS的麦克风和微型扬声器将成为提高声音质量的关键，使元宇宙中的360度音频传感技术得以实现。

以下是五大元宇宙交互技术的需求及MEMS技术所能提供的解决方案：

元宇宙交互技术的需求

·  光学与显示
·  音频、高质量声音
·  空间定位
·  交互、触觉控制
·  动作识别、状态监测

MEMS技术解决方案

·  微镜（单个/阵列）
·  麦克风和微型扬声器
·  高性能加速计和陀螺仪
·  触摸和力传感器、微型执行器
·  PMUTs、惯性传感器

结论

以上例子表明，存在多种潜在的MEMS方案可以满足元宇宙的技术需求。MEMS产品可用于构建元宇宙所需的高度交互的用户界面，对于新环境孕育出的新兴应用的发展、交付和应用，MEMS产品也将发挥关键作用。

参考资料

[1] Benjamin Cook, Director of Hardware R&D at Meta, Grand Challenges for MEMS augmented Reality & Virtual Reality, MEMS & Sensors Executive Congress 2022, October 10-12, San Diego, CA
[2] Edith Beigné, Silicon Research Director at Meta, Technologies for the Metaverse, MEMS World Summit (MWS) China, 2-3 November 2022
[3] https://www.yolegroup.com
[4] Inside Facebook Reality Labs: The next era of human-computer interaction – Tech at Meta

原文链接：https://www.coventor.com/blog/an-explanation-of-the-metaverse-and-5-mems...