元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要哪些MEMS技術(shù)

作者：Coventor（泛林集團(tuán)旗下公司）全球MEMS業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)及歐洲技術(shù)總監(jiān)Gerold Schr?pfer 博士

下一波通信和社會(huì)技術(shù)將超越2D屏幕，向依靠增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)方向發(fā)展，這個(gè)新平臺(tái)也就是我們所說(shuō)的“元宇宙”。元宇宙是Meta?的愿景，即與真實(shí)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(duì)元宇宙的功能和實(shí)現(xiàn)方式仍處于霧里看花的階段。對(duì)于一部分人來(lái)說(shuō)，電影《頭號(hào)玩家》里所構(gòu)想的世界就是他們對(duì)于“元宇宙”的認(rèn)知。

元宇宙的應(yīng)用

許多人對(duì)元宇宙的普遍應(yīng)用持懷疑態(tài)度。但幾乎每個(gè)人都可以列舉出與元宇宙相關(guān)、或者元宇宙驅(qū)動(dòng)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(dòng)不便的人群（實(shí)際上是任何人）無(wú)需離開(kāi)家中即可實(shí)現(xiàn)異地旅行；借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 眼鏡中的自主內(nèi)置攝像頭，你可以專心享受現(xiàn)場(chǎng)音樂(lè)會(huì)，不必分心進(jìn)行活動(dòng)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(yuǎn)程機(jī)器維護(hù)、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)或涉及遠(yuǎn)程手術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療?？偠灾瑳](méi)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(gè)高度沉浸式的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以在里面訪問(wèn)基于AR和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）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(dòng)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(lái)的豐富且嶄新的情景感知環(huán)境。AR和VR將推動(dòng)下一代計(jì)算的發(fā)展，并不斷拉近計(jì)算機(jī)與人的距離，以至于似乎感覺(jué)不到兩者之間的邊界。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要大量的技術(shù)創(chuàng)新：從能夠無(wú)縫結(jié)合彼此無(wú)法區(qū)分的真實(shí)與虛擬內(nèi)容的顯示器，到理解用戶意圖的無(wú)障礙輸入設(shè)備，所需的創(chuàng)新可謂巨大[1]。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)新世界的先決條件是讓AR眼鏡（或其他具有可市場(chǎng)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(yàn)的最大挑戰(zhàn)之一是這些新用戶界面的性能和外形，因?yàn)樗鼈冎泻芏喽夹枰远x的硅芯片來(lái)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(dòng)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(shí)呢？讓我們先回顧一下計(jì)算機(jī)界面技術(shù)的歷史，再考慮它們?cè)谠钪嬷锌赡艿陌l(fā)展方向。

人機(jī)交互 (HCI) 始于上世紀(jì)60年代的鍵盤，并通過(guò)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(jī)交互的下一個(gè)時(shí)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(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)，根據(jù)Meta的說(shuō)法，未來(lái)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(dòng)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(dòng)作，并在用戶想采取行動(dòng)時(shí)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(shì)追蹤、動(dòng)作識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)，以及基于慣性傳感器的手指點(diǎn)擊和自觸摸檢測(cè)等新的輸入技術(shù)。通過(guò)基于MEMS的慣性傳感器單元和基于執(zhí)行器的觸覺(jué)控制，可以使具有神經(jīng)運(yùn)動(dòng)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(jī)械超聲換能器）用于基于觸摸的觸覺(jué)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，它就能成為一種進(jìn)入元宇宙的方法?；贛EMS的麥克風(fēng)和微型揚(yáng)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(shí)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(jué)控制

動(dòng)作識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)

MEMS技術(shù)解決方案

微鏡（單個(gè)/陣列）

麥克風(fēng)和微型揚(yáng)聲器

高性能加速計(jì)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(duì)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