基于光纖傳感的可穿戴數字手術設備設計

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，將現實中的事物與虛擬世界進行連接的數字生活空間，通過VR 等技術來實現。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，尤其對游戲產業產生了深遠影響。據花旗銀行初步估算，截至2030 年，元宇宙市場規模將進一步擴大至8 萬億～13 萬億美元。可見，元宇宙處于數字化浪潮的前沿，擁有極強的發展潛力。元宇宙發展具有三大特征，即與現實世界平行、反作用于現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展的速度，非接觸式文化開始形成。據權威數據顯示，到2026 年，我國虛擬現實相關的硬件、軟件市場規模將達到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展的根本動因，對元宇宙相關利益方與產業鏈進行了調研，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字圖書館中[2]，表示通過元宇宙技術可大大拓寬現有圖書館圖書獲取渠道，增加讀者閱讀興趣，實現真正的數字化圖書館，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武術相結合[3]，提出了武術+元宇宙的應用方案，從現代科技角度對中華傳統武術的進一步發展進行了探索。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勢，歸納了元宇宙背景下體育傳媒出現的新特征，并提出相應的發展策略，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據治理策略[5]，為快速處理元宇宙數據提供了實用化工程方法，從元宇宙視角解讀了數據治理的新趨勢與新挑戰，具備一定的前瞻性。

2 元宇宙的概念與發展歷程

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：一個平行于現實世界運行的人造空間，也是互聯網的下一個階段。元宇宙本質上是一種通過“VR”技術打造的數字生活空間，通過可穿戴設備和區塊鏈、云計算、數字孿生、3D 機器視覺和傳感等現代科學技術，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實世界。隨著技術的發展，元宇宙的體驗也將與現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，它與現實世界并不等同，卻可以與現實世界交互。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 元宇宙技術發展歷程

1981 年，美國數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。“元宇宙”一詞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），為虛擬現實技術在人類生活中的廣泛應用提供了設備基礎。歷經數十年的探索，2021 年被視為“元宇宙元年”，元宇宙迎來了全新的發展階段。2021 年初，Soul App 在行業內首次提出構建“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，微軟首席執行官薩蒂亞·納德拉表示微軟正在努力打造一個“企業元宇宙”；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，Facebook 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模。如普華永道預計，2030 年，元宇宙市場規模將達到1.5 萬億美元，彭博行業則估計屆時元宇宙市場規模可以達到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成熟度的持續提高，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字手術設備設計

元宇宙的基本特點在于實現真實物理世界和數字虛擬世界的交互，因而如何應用現代技術實現這種交互成為元宇宙發展的關鍵。目前，元宇宙世界的呈現主要依靠VR、AR 相關技術，通過他們使元宇宙世界圖景展現在真實物理世界中。對真實世界進行數字建模則主要依賴于各種傳感器。本節創新應用光纖這一現代信息學材料獲取人體關節彎曲動作，通過光電轉換測量人體關節彎曲度，實現人類手部動作的數字化建模，進而實現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展而迅速進步。其基本原理是，當光纖發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，經光電轉換后關節彎曲信息被送往中央處理器實現人體肢體動作的數字三維建模，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實平行、實時運營的虛擬世界，使人們社交的關注重心從現實生活轉移到數字生活上，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，以及根據設置個人興趣圖譜或系統智能信息推薦，來尋找和認識志同道合的人。與傳統虛擬社交（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。首先，元宇宙通過虛擬重現，還原真實的教學環境；其次，通過虛擬仿真，憑借感官開展虛擬自主學習和小組協作，使師生與虛擬教學環境相融合，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，是虛擬聯動，可以實現虛擬教學環境與現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，根據當前學習狀況和過往記錄，及時評估并預測學習者的狀態，提供教學優化方案。

4.3 元宇宙在商業購物中的應用

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，從而極大地優化顧客的購物體驗。