元宇宙的實現(xiàn)需要哪些MEMS技術(shù)

作者：Coventor（泛林集團旗下公司）全球MEMS業(yè)務(wù)運營及歐洲技術(shù)總監(jiān)Gerold Schr?pfer 博士

下一波通信和社會技術(shù)將超越2D屏幕，向依靠增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實的沉浸式體驗方向發(fā)展，這個新平臺也就是我們所說的“元宇宙”。元宇宙是Meta?的愿景，即與真實的物理世界連接的虛擬世界互連網(wǎng)絡(luò)。雖然大家都在熱議元宇宙，但多數(shù)人對元宇宙的功能和實現(xiàn)方式仍處于霧里看花的階段。對于一部分人來說，電影《頭號玩家》里所構(gòu)想的世界就是他們對于“元宇宙”的認知。

元宇宙的應(yīng)用

許多人對元宇宙的普遍應(yīng)用持懷疑態(tài)度。但幾乎每個人都可以列舉出與元宇宙相關(guān)、或者元宇宙驅(qū)動的技術(shù)創(chuàng)新如何賦能生活中其他領(lǐng)域的具體例子。游戲可能是元宇宙最明顯的應(yīng)用案例。除此之外，元宇宙還可以幫助行動不便的人群（實際上是任何人）無需離開家中即可實現(xiàn)異地旅行；借助增強現(xiàn)實 (AR) 眼鏡中的自主內(nèi)置攝像頭，你可以專心享受現(xiàn)場音樂會，不必分心進行活動錄像。元宇宙的其他應(yīng)用還包括惡劣工業(yè)環(huán)境中的遠程機器維護、遠程學(xué)習(xí)或涉及遠程手術(shù)的遠程醫(yī)療?？偠灾?，沒有做不到的，只有想不到的。

元宇宙及用戶界面需求

元宇宙可以被看作是一個高度沉浸式的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以在里面訪問基于AR和VR（虛擬現(xiàn)實）的環(huán)境。AR包括一系列將從根本上改變我們與周圍環(huán)境互動方式的技術(shù)，它意味著物理世界與數(shù)字世界的融合所帶來的豐富且嶄新的情景感知環(huán)境。AR和VR將推動下一代計算的發(fā)展，并不斷拉近計算機與人的距離，以至于似乎感覺不到兩者之間的邊界。要實現(xiàn)這一目標，需要大量的技術(shù)創(chuàng)新：從能夠無縫結(jié)合彼此無法區(qū)分的真實與虛擬內(nèi)容的顯示器，到理解用戶意圖的無障礙輸入設(shè)備，所需的創(chuàng)新可謂巨大[1]。

實現(xiàn)這個新世界的先決條件是讓AR眼鏡（或其他具有可市場化外形的AR界面）等合適的用戶界面成為可能。而獲得全面AR體驗的最大挑戰(zhàn)之一是這些新用戶界面的性能和外形，因為它們中很多都需要自定義的硅芯片來滿足用戶界面的尺寸和性能要求[2]。

MEMS技術(shù)與元宇宙

Yole Development[3]表示，這些AR和VR需求將在2030年之前推動下一代MEMS器件的發(fā)展。什么樣的MEMS器件和技術(shù)能讓元宇宙成為現(xiàn)實呢？讓我們先回顧一下計算機界面技術(shù)的歷史，再考慮它們在元宇宙中可能的發(fā)展方向。

人機交互 (HCI) 始于上世紀60年代的鍵盤，并通過80年代的圖形用戶界面 (GUI) 繼續(xù)發(fā)展，2000年代又出現(xiàn)了觸控技術(shù)。人機交互的下一個時代將以AR和VR為基礎(chǔ)。構(gòu)建這種類型的AR/VR界面是一項長期且艱巨的任務(wù)，根據(jù)Meta的說法，未來還需要好幾年的研究[4]。

AR眼鏡將成為情景感知和人工智能驅(qū)動界面發(fā)展中的關(guān)鍵設(shè)備。作為界面，AR眼鏡將允許用戶使用已選擇共享的信息、推斷下一步的動作，并在用戶想采取行動時做出反應(yīng)。多種新興技術(shù)的融合將有利于AR眼鏡的發(fā)展和應(yīng)用，相關(guān)的新興技術(shù)包括神經(jīng)輸入、手勢追蹤、動作識別、語音識別、計算機視覺，以及基于慣性傳感器的手指點擊和自觸摸檢測等新的輸入技術(shù)。通過基于MEMS的慣性傳感器單元和基于執(zhí)行器的觸覺控制，可以使具有神經(jīng)運動輸入的腕式設(shè)備具備光學(xué)傳感和空間定位功能[3]。如果把基于MEMS的PMUTs（壓電微機械超聲換能器）用于基于觸摸的觸覺控制和狀態(tài)監(jiān)測，它就能成為一種進入元宇宙的方法?；贛EMS的麥克風(fēng)和微型揚聲器將成為提高聲音質(zhì)量的關(guān)鍵，使元宇宙中的360度音頻傳感技術(shù)得以實現(xiàn)。

以下是五大元宇宙交互技術(shù)的需求及MEMS技術(shù)所能提供的解決方案：

元宇宙交互技術(shù)的需求

光學(xué)與顯示

音頻、高質(zhì)量聲音

空間定位

交互、觸覺控制

動作識別、狀態(tài)監(jiān)測

MEMS技術(shù)解決方案

微鏡（單個/陣列）

麥克風(fēng)和微型揚聲器

高性能加速計和陀螺儀

觸摸和力傳感器、微型執(zhí)行器

PMUTs、慣性傳感器

結(jié)論

以上例子表明，存在多種潛在的MEMS方案可以滿足元宇宙的技術(shù)需求。MEMS產(chǎn)品可用于構(gòu)建元宇宙所需的高度交互的用戶界面，對于新環(huán)境孕育出的新興應(yīng)用的發(fā)展、交付和應(yīng)用，MEMS產(chǎn)品也將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考資料

[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

審核編輯 黃宇