基于光纖傳感的可穿戴數(shù)字手術設備設計

胡子擎

（廣州市第二中學，廣東廣州 510530）

1 元宇宙的研究背景

1.1 研究背景與意義

元宇宙是指通過一系列科技手段，將現(xiàn)實中的事物與虛擬世界進行連接的數(shù)字生活空間，通過VR 等技術來實現(xiàn)。最早在1992 年，美國作家就在他的《雪崩》一書中提出了元宇宙的概念。當時的元宇宙在書中被稱作“虛擬實境”，這個名詞對后來的計算機技術產生了不可忽視的指引作用，尤其對游戲產業(yè)產生了深遠影響。據(jù)花旗銀行初步估算，截至2030 年，元宇宙市場規(guī)模將進一步擴大至8 萬億～13 萬億美元?？梢?，元宇宙處于數(shù)字化浪潮的前沿，擁有極強的發(fā)展?jié)摿?。元宇宙發(fā)展具有三大特征，即與現(xiàn)實世界平行、反作用于現(xiàn)實世界和多種高技術綜合。在20世紀70 年代到90 年代這段時間里，出現(xiàn)了許多開放性大世界多人游戲，這些游戲中的開放世界形成了元宇宙的基礎。在這之后，元宇宙概念從僅僅以小說和游戲為主，進化到了應用產品的層次。2020 年，人類社會的虛擬化達到了臨界點，疫情的到來提高了新技術發(fā)展的速度，非接觸式文化開始形成。據(jù)權威數(shù)據(jù)顯示，到2026 年，我國虛擬現(xiàn)實相關的硬件、軟件市場規(guī)模將達到3500 億元。

1.2 文獻研究綜述

元宇宙的概念雖然誕生不久，但有關元宇宙及其相關技術與應用的文章已有多篇文獻述及。郭全中等對元宇宙的誕生與發(fā)展進行了概述[1]，闡述了元宇宙的概念內涵與本質特征，分析了元宇宙得以快速發(fā)展的根本動因，對元宇宙相關利益方與產業(yè)鏈進行了調研，為認知元宇宙提供了一定的參考。吳江等將元宇宙相關技術應用于數(shù)字圖書館中[2]，表示通過元宇宙技術可大大拓寬現(xiàn)有圖書館圖書獲取渠道，增加讀者閱讀興趣，實現(xiàn)真正的數(shù)字化圖書館，對元宇宙在文化傳播方面的應用進行了初步探索，具有一定的實際參考價值。鄭楠將元宇宙與中華傳統(tǒng)武術相結合[3]，提出了武術+元宇宙的應用方案，從現(xiàn)代科技角度對中華傳統(tǒng)武術的進一步發(fā)展進行了探索。滕姍姍從元宇宙視角對體育傳媒進行了分析和思考[4]，結合元宇宙特有的技術優(yōu)勢，歸納了元宇宙背景下體育傳媒出現(xiàn)的新特征，并提出相應的發(fā)展策略，具有一定的實際應用價值。趙濤提出了元宇宙技術相關的數(shù)據(jù)治理策略[5]，為快速處理元宇宙數(shù)據(jù)提供了實用化工程方法，從元宇宙視角解讀了數(shù)據(jù)治理的新趨勢與新挑戰(zhàn)，具備一定的前瞻性。

2 元宇宙的概念與發(fā)展歷程

2.1 元宇宙的基本概念構想

2021 年是元宇宙（Metaverse）的元年。從元宇宙的英文單詞來看，它由Meta 和Verse 兩個單詞組成，Meta 表示超越，Verse 代表宇宙，合起來即為“超越宇宙”的概念：一個平行于現(xiàn)實世界運行的人造空間，也是互聯(lián)網的下一個階段。元宇宙本質上是一種通過“VR”技術打造的數(shù)字生活空間，通過可穿戴設備和區(qū)塊鏈、云計算、數(shù)字孿生、3D 機器視覺和傳感等現(xiàn)代科學技術，使不同個體在虛擬世界中獲得一個特定身份，進行一系列社會互動。在這種沉浸式體驗中，人的意識可以脫離現(xiàn)實世界。隨著技術的發(fā)展，元宇宙的體驗也將與現(xiàn)實世界變得越來越相似，所以元宇宙可被認為是一個平行世界，它與現(xiàn)實世界并不等同，卻可以與現(xiàn)實世界交互。元宇宙目前仍處于萌芽階段，它仍是一個不斷發(fā)展、演變的概念，不同參與者將以自己的方式豐富它的內涵。

2.2 元宇宙技術發(fā)展歷程

1981 年，美國數(shù)學和計算機專家弗諾· 文奇教授出版了小說《真名實姓》，其中的個體通過腦機接口進入一個可獲得感官體驗的虛擬世界，該小說的構思被認為是元宇宙的思想源頭?！霸钪妗币辉~最早見于美國科幻作家斯蒂芬森1992 年的作品《雪崩》，里面首次提到了“Metaverse（元宇宙）”的概念，人們在“Metaverse”里可以擁有自己的虛擬形象；2016 年推出的Oculus Rift（一款為電子游戲設計的頭戴式顯示器），為虛擬現(xiàn)實技術在人類生活中的廣泛應用提供了設備基礎。歷經數(shù)十年的探索，2021 年被視為“元宇宙元年”，元宇宙迎來了全新的發(fā)展階段。2021 年初，Soul App 在行業(yè)內首次提出構建“社交元宇宙”。3 月，“元宇宙第一股” Roblox 正式在紐交所上市；同年5 月，微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉表示微軟正在努力打造一個“企業(yè)元宇宙”；8 月，英偉達宣布推出全球首個為元宇宙建立提供基礎的模擬和協(xié)作平臺；10 月，社交媒體巨頭Facebook 宣布將公司改名為Meta 并計劃在5～10 年內轉型成為元宇宙公司。

2022 年4 月25 日，F(xiàn)acebook 母公司Meta 宣布，消費者可以在其第一家“元宇宙”實體店試用和購買虛擬現(xiàn)實（VR）頭顯和其他設備；2022 年9 月，全國科學技術名詞審定委員會邀請20 余位來自學界、產業(yè)界的專家，對元宇宙及核心術語概念展開了研討。如今，已有多個國際知名咨詢機構公開表示看好元宇宙的未來市場規(guī)模。如普華永道預計，2030 年，元宇宙市場規(guī)模將達到1.5 萬億美元，彭博行業(yè)則估計屆時元宇宙市場規(guī)?？梢赃_到2.5萬億美元；摩根士丹利預計，元宇宙潛在市場空間將超過8 萬億美元。未來，伴隨元宇宙技術和產業(yè)成熟度的持續(xù)提高，其應用范圍將逐步擴大，并不斷深入。

3 基于光纖傳感的可穿戴數(shù)字手術設備設計

元宇宙的基本特點在于實現(xiàn)真實物理世界和數(shù)字虛擬世界的交互，因而如何應用現(xiàn)代技術實現(xiàn)這種交互成為元宇宙發(fā)展的關鍵。目前，元宇宙世界的呈現(xiàn)主要依靠VR、AR 相關技術，通過他們使元宇宙世界圖景展現(xiàn)在真實物理世界中。對真實世界進行數(shù)字建模則主要依賴于各種傳感器。本節(jié)創(chuàng)新應用光纖這一現(xiàn)代信息學材料獲取人體關節(jié)彎曲動作，通過光電轉換測量人體關節(jié)彎曲度，實現(xiàn)人類手部動作的數(shù)字化建模，進而實現(xiàn)與虛擬世界的實時交互。

3.1 光纖傳感技術介紹

光纖傳感技術始于1977 年，伴隨光纖通訊技術的發(fā)展而迅速進步。其基本原理是，當光纖發(fā)生曲率半徑較大的彎曲，局部不滿足光的全反射條件時，光線在彎曲處發(fā)生光泄露，通過檢測光纖中的光衰減判斷光纖的彎曲程度，從而實現(xiàn)相關量的檢測。在通訊領域使用的光纖一般為玻璃纖維（二氧化硅），而可穿戴傳感器一般使用塑料纖維，這是由于塑料光纖的衰減率較大，雖然不適合光的長距離傳輸，但是短距離應用可以放大微小形變，提高相關量的檢測精確度。此外，塑料纖維較粗，不易在腕關節(jié)的大角度彎曲中折斷。

在實際應用中，微小角度的彎曲不易引起光的泄露，繼而腕部動作不易被傳感器感知。所以可以通過激光刻蝕一部分的纖芯和包層，通過“刻柵”操作增大光的泄露程度。但是考慮到光纖的強度，刻槽的深度和寬度不宜過大，需要時可對光纖進行力學和光學的實驗評估。

3.2 采用光纖獲取肢體彎曲度

選用輕量化的光纖式傳感器來完成設計。通過將光纖沿手掌骨骼固定在手背上，使手部彎曲的同時可帶動光纖做出相同的動作。采用塑料可拉伸骨架作為可穿戴傳感器手套的內部結構。

將一段光纖穿入骨架，到手指尖為止，同時確保光纖的可活動性來保證彎曲的拉伸空間。光纖的柔軟特性使其對彎曲變形極其敏感，考慮到光纖在不同的彎曲程度下，光線在光纖內部傳播的衰減率不同（在通常情況下，彎曲角度越大，衰減率越高，測量就越精準），通過在光纖上刻柵，增大其彎曲時彎曲部分的開口大小從而增加透光率，即衰減率，這樣就可以通過不同的衰減率來判斷手部關節(jié)的彎曲角度，最后再通過判斷不同簇光纖的彎曲位置來具體定位彎曲的關節(jié)，經光電轉換后關節(jié)彎曲信息被送往中央處理器實現(xiàn)人體肢體動作的數(shù)字三維建模，最終手部動作通過計算機模擬后在VR 眼鏡中生成。

4 元宇宙的應用及展望

4.1 元宇宙在社交方面的應用

元宇宙為網絡社交提供了一個新的平臺。它通過搭建一個與現(xiàn)實平行、實時運營的虛擬世界，使人們社交的關注重心從現(xiàn)實生活轉移到數(shù)字生活上，帶來社交形式的改變。在社交元宇宙里，人們身處虛擬的場景，憑借自身的虛擬形象和個人信息參數(shù)，以及根據(jù)設置個人興趣圖譜或系統(tǒng)智能信息推薦，來尋找和認識志同道合的人。與傳統(tǒng)虛擬社交（如QQ、微信、新浪微博等）相比，元宇宙相關技術使得人們不再只能隔著手機屏幕交流，從而拉近了人與人之間的社交距離，滿足了人們的差異化社交需求，為人們提供了更加豐富的社交體驗。綜合來看，社交元宇宙為網絡社交提供了一個更高維度的沉浸式的虛擬平臺，為人們提供了一種沉浸式的網絡沖浪體驗，提升了社交的有效性與互動性。

4.2 元宇宙在教育培訓領域中的應用

元宇宙在教育培訓領域中的應用被稱為教育元宇宙[6]，教育元宇宙將會構建以現(xiàn)實物理空間為核心的智慧學習空間,形成虛實共生和跨界探索的未來教育形態(tài)。首先，元宇宙通過虛擬重現(xiàn)，還原真實的教學環(huán)境；其次，通過虛擬仿真，憑借感官開展虛擬自主學習和小組協(xié)作，使師生與虛擬教學環(huán)境相融合，學習者從初步參與到全身體驗，最終完全沉浸于虛擬場景中；最后，是虛擬聯(lián)動，可以實現(xiàn)虛擬教學環(huán)境與現(xiàn)實世界的無縫對接和有機融合。教育元宇宙將會提供沉浸式的教育環(huán)境和智慧教育資源，滿足學生個性化的學習需求和教師差異化教學需求，通過精準的智慧教學評價給予師生及時反饋。同時，根據(jù)當前學習狀況和過往記錄，及時評估并預測學習者的狀態(tài)，提供教學優(yōu)化方案。

4.3 元宇宙在商業(yè)購物中的應用

元宇宙在購物方面的應用是可以被預見的[7]。在元宇宙中能夠創(chuàng)建一個虛擬的購物中心，并通過一鍵下單的簡單操作，就能夠如游戲般完成消費。此外，元宇宙還能夠擺脫實體店的局限性，提供更具想象力的數(shù)字購物體驗。沉浸式技術為零售電商場景提供更好的空間和載體，正在不斷地優(yōu)化顧客的消費體驗。Gucci 與Roblox 合作推出了“The Gucci Garden Experience”虛擬展覽，玩家可以自由地欣賞展覽并選購心儀的單品。歐萊雅目前在推廣Modiface AR 技術，幫助顧客通過虛擬化妝，選購適合自己的產品，從而極大地優(yōu)化顧客的購物體驗。