隨著互聯(lián)網(wǎng)從20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在的迅速發(fā)展，各種創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,，通過網(wǎng)絡(luò)空間中的虛擬交互為用戶帶來令人驚嘆的體驗(yàn),。許多具有數(shù)千種服務(wù)和應(yīng)用程序的虛擬環(huán)境，從社交網(wǎng)絡(luò)到虛擬游戲世界,，都是通過沉浸式體驗(yàn)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型而開發(fā)的,，但大多數(shù)是不連貫的，沒有集成到一個平臺中,。在這種背景下,，由元（Meta）和宇宙（Universe）結(jié)合而成的術(shù)語“元宇宙”（Metaverse）誕生，它是由5G及下一代網(wǎng)絡(luò),、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等新興技術(shù)推動建立的共享虛擬世界,。其中，人工智能已顯示出在處理大數(shù)據(jù)以增強(qiáng)沉浸式體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)虛擬代理的類人智能上的重要性,。因此,，本文將首先概述人工智能的研究進(jìn)展及其在元宇宙中的作用，然后重點(diǎn)介紹自然語言處理,、機(jī)器視覺,、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò),、數(shù)字孿生和神經(jīng)接口等技術(shù)如何賦能元宇宙,，最后介紹人工智能元宇宙在醫(yī)療保健、制造業(yè),、智慧城市和游戲等領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,。

關(guān)鍵詞：元宇宙，人工智能,，深度學(xué)習(xí),，機(jī)器學(xué)習(xí)

目前，元宇宙被定義為一個共享的3D虛擬世界,，甚至是多個跨平臺的世界,，可以通過互動和協(xié)作活動為用戶提供全面的沉浸式體驗(yàn),。除了固定在虛擬世界中的虛擬場所和建筑外，許多其他實(shí)體,，如物體,、用戶身份和數(shù)字商品，可以在不同的虛擬世界之間進(jìn)行交換,，甚至反映到現(xiàn)實(shí)世界中,。近年來，虛擬世界出現(xiàn)了前所未有的爆炸式增長,，主要來自3D游戲,，硬件的改進(jìn)（例如，大數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)設(shè)施,、無線通信網(wǎng)絡(luò),、內(nèi)置傳感器和圖形處理單元（GPU））和軟件的優(yōu)化（例如，通信資源分配,、語言處理和計(jì)算機(jī)視覺）能更扎實(shí),、更有創(chuàng)意地構(gòu)建虛擬世界。不同于傳統(tǒng)的元宇宙模式因數(shù)據(jù)不足而限制了沉浸式體驗(yàn),，新模式不僅為企業(yè)（用戶自由創(chuàng)作內(nèi)容）產(chǎn)生了巨大的新用戶和行為數(shù)據(jù)源,，而且為在不同領(lǐng)域部署人工智能提供了良好的基礎(chǔ)。此外,，為現(xiàn)代元宇宙構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)平臺應(yīng)滿足以下特征：虛擬世界,、持久性、可擴(kuò)展性,、始終在線與同步性,、財(cái)務(wù)補(bǔ)貼、去中心化,、安全性和互操作性,。一個元宇宙平臺可以包括以下層次（見圖1）：

現(xiàn)有的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分為兩個領(lǐng)域：傳統(tǒng)技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)是指監(jiān)督學(xué)習(xí),、無監(jiān)督學(xué)習(xí),、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。先進(jìn)技術(shù)是指深度學(xué)習(xí),，深度學(xué)習(xí)是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的子集,，與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不同,，深度學(xué)習(xí)可以自動學(xué)習(xí)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的底層特征,，而無需人工干預(yù)或人工領(lǐng)域知識。深度學(xué)習(xí)的高度靈活架構(gòu)允許學(xué)習(xí)系統(tǒng)直接處理原始數(shù)據(jù),，并在提供足夠數(shù)據(jù)的情況下提高學(xué)習(xí)性能,，比較著名的架構(gòu)有循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN),、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、自組織映射(SOM)和自動編碼器,。

人工智能在元宇宙中應(yīng)用廣泛,。例如，許多監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法被應(yīng)用于語音識別和其他語言處理任務(wù)的分類和回歸模型,，以使系統(tǒng)智能體能夠理解用戶命令,。通過由多個設(shè)備（例如移動設(shè)備、智能手表和其他可穿戴設(shè)備）收集的基于傳感器信號的輸入數(shù)據(jù),，某些應(yīng)用可以分析和學(xué)習(xí)人類行為的復(fù)雜模式,，例如識別用戶在虛擬世界中的活動和互動。深度學(xué)習(xí)也在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成功,，被廣泛用于無線通信,、人機(jī)交互、游戲和金融等領(lǐng)域,。例如英偉達(dá)推出的深度學(xué)習(xí)超級采樣(DLSS)技術(shù),，該技術(shù)在利用深度學(xué)習(xí)和其他人工智能算法來提高幀速率的同時還能保證圖像的色彩和清晰度，從而有可能改善元宇宙的視覺體驗(yàn),。為加速布局元宇宙,，Meta引入超算“AI研究超級集群（RSC）”,可幫助AI研究人員和科學(xué)家從大量數(shù)據(jù)（包括文本、語音,、圖像,、視頻）中為各種服務(wù)/應(yīng)用程序開發(fā)更好的深度學(xué)習(xí)模型,所有來自RSC的成果都將用于構(gòu)建元宇宙平臺。

應(yīng)用在元宇宙中的主要人工智能技術(shù)有：自然語言處理,、機(jī)器視覺,、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò),、數(shù)字孿生和神經(jīng)接口,。

在元宇宙中，應(yīng)用NLP技術(shù)的聊天機(jī)器人能理解各類情境下的人類對話,，可以回答有細(xì)微差別的問題并從交互中學(xué)習(xí)以提高響應(yīng)質(zhì)量,。作為NLP中最重要任務(wù)之一的語言建模通過捕獲前面的單詞、單元的句法和語義關(guān)系來預(yù)測單詞或簡單的語言單元,，有助于進(jìn)行機(jī)器翻譯和文本推薦,。除了單詞感知語言模型外，許多字符感知模型已經(jīng)引入了人工智能算法來處理世界上的多種語言,。一般而言,字符感知和單詞感知建模技術(shù)允許NLP系統(tǒng)為元宇宙中的一些常見任務(wù)提取句法和語義信息,例如語音部分標(biāo)記,、命名實(shí)體識別和語義角色標(biāo)記。深度學(xué)習(xí)也已被進(jìn)一步利用來克服傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的學(xué)習(xí)限制,，并有效地處理NLP中的許多具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),，例如情緒預(yù)測和問題類型分類,。

結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR），是奠定元宇宙基礎(chǔ)的核心技術(shù)之一,。通過抓取和處理視覺環(huán)境（通過光學(xué)顯示器和視頻播放器）感知的原始數(shù)據(jù)來推斷高級信息,，然后通過頭戴式設(shè)備和其他設(shè)備（例如智能眼鏡和智能手機(jī)）向用戶顯示。事實(shí)上,，計(jì)算機(jī)視覺允許XR設(shè)備在有價值的視覺信息的基礎(chǔ)上分析和理解用戶活動,。作為虛擬世界中的化身，用戶可以在元宇宙中的3D地圖上自由移動并與虛擬對象進(jìn)行交互,。

在虛擬世界中，大量數(shù)據(jù)（如視頻和其他數(shù)字內(nèi)容）被VR設(shè)備獲取,，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲在數(shù)據(jù)中心,，若沒有任何安全和隱私保護(hù)機(jī)制，可能成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的敏感目標(biāo),，而區(qū)塊鏈的獨(dú)特功能,，再加上人工智能技術(shù)的加持，有望解決元宇宙中的安全和隱私問題,。此外,，服務(wù)提供商向用戶提供的許多創(chuàng)造性活動將產(chǎn)生大量的元宇宙內(nèi)對象/項(xiàng)目（又名數(shù)字資產(chǎn)），這些對象/項(xiàng)目應(yīng)通過區(qū)塊鏈中的智能合約進(jìn)行記錄和跟蹤以確保交易的透明度。

元宇宙為大量用戶提供通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問普適網(wǎng)絡(luò)的服務(wù),。在過去十年中,，已經(jīng)引入了幾項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)來提高無線通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能,，其中人工智能已被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多個層次,。元宇宙中的實(shí)時多媒體服務(wù)和應(yīng)用程序通常需要具有高吞吐量和低延遲的可靠連接，以保證基本的用戶體驗(yàn),。5G網(wǎng)絡(luò)的峰值數(shù)據(jù)速率應(yīng)在10Gbps（千兆位/秒）左右,，端到端時延不能超過10ms（毫秒）。在這種情況下,，超高可靠和低延遲通信 (uRLLC) 是開發(fā)新興任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序的基礎(chǔ),。目前，已經(jīng)引入了幾種優(yōu)化算法來在5G/6G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn) uRLLC,，但其中大多數(shù)都需要大量的計(jì)算資源,。機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)已顯示出巨大潛力：既能在5G/6G網(wǎng)絡(luò)中有效處理挑戰(zhàn)性的任務(wù)（例如智能無線電資源分配），又能滿足極低延遲,。未來或可借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法和深度學(xué)習(xí)架構(gòu)解決uRLLC等挑戰(zhàn),，讓用戶在元宇宙體驗(yàn)一流的綜合服務(wù)。

作為現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體的數(shù)字表示,，DT可以將經(jīng)營性資產(chǎn),、流程和系統(tǒng)以及一些常規(guī)操作（例如監(jiān)控、可視化,、分析和預(yù)測）與現(xiàn)實(shí)世界同步,。DT位于現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界通過物聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行交互的中心,因此現(xiàn)實(shí)世界中的任何變化都將在數(shù)字表示中被駁回。憑借這些獨(dú)特的屬性,，DT被視為虛擬世界的基本構(gòu)建部分之一,，并通過創(chuàng)建對現(xiàn)實(shí)的精確復(fù)制（包括結(jié)構(gòu)和功能）作為用戶進(jìn)入和享受虛擬世界服務(wù)的門戶。借助人工智能,，DT可以提高系統(tǒng)性能,、減少流程、最大限度地降低維護(hù)成本并優(yōu)化業(yè)務(wù)和生產(chǎn),。

技術(shù)增強(qiáng)了人類的體驗(yàn),，充分填補(bǔ)了元宇宙中現(xiàn)實(shí)與虛擬世界之間的差距。在這種背景下,，最受歡迎的沉浸式體驗(yàn)工具是帶有控制器的VR頭顯,。目前，許多科技公司都在關(guān)注能夠超越VR設(shè)備的神經(jīng)接口,，即所謂的腦機(jī)接口(BMI/BCI),其幾乎可以消除人類和可穿戴設(shè)備之間的所有界限,。許多腦機(jī)接口通過附著在顱骨和人體其他部位的外部電極或光學(xué)傳感器檢測神經(jīng)信號。通過這些能初步讀取和控制思想的工具，腦機(jī)接口可以通過經(jīng)顱電磁脈沖操縱思想,。除了預(yù)處理階段的數(shù)據(jù)工程技術(shù)外,，模式識別階段的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法也可以精確地分析復(fù)雜敏感的神經(jīng)信號。

人工智能元宇宙目前在醫(yī)療保健,、制造業(yè),、智慧城市和游戲等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用。

健康行業(yè)最近開始開發(fā)一些革命性的技術(shù),，比如在軟件和硬件上將VR與大數(shù)據(jù),、人工智能相結(jié)合，以提高醫(yī)療設(shè)備的熟練程度,，降低醫(yī)療服務(wù)成本,，改善醫(yī)療運(yùn)營并擴(kuò)大服務(wù)范圍。從2D環(huán)境到3D虛擬世界,，元宇宙允許用戶沉浸式地學(xué)習(xí),、理解和分享患者的健康狀況和醫(yī)療報告。通過VR/XR系統(tǒng),，人工智能在許多醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,，例如提高診斷效率、提供更準(zhǔn)確和快速的醫(yī)療決策,、提供更好的實(shí)時醫(yī)學(xué)放射成像,，并支持更方便的模擬環(huán)境來教育實(shí)習(xí)生和醫(yī)學(xué)生。此外,，人工智能已應(yīng)用在許多用于醫(yī)療保健,、健康服務(wù)的可穿戴設(shè)備中，用于自動識別復(fù)雜的感官數(shù)據(jù)模式,。

制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是大勢所趨,，機(jī)器和系統(tǒng)之間的數(shù)字化連接可以更好地分析和理解物理實(shí)體。與通過數(shù)字操作來增強(qiáng)物理世界的數(shù)字轉(zhuǎn)換不同,，元宇宙基于現(xiàn)實(shí)交互和持久性的基礎(chǔ),，創(chuàng)建了一個被轉(zhuǎn)換到物理世界的虛擬世界。在當(dāng)前的數(shù)字革命中,，通過采用人工智能和數(shù)字孿生等尖端技術(shù),，用于制造業(yè)的元宇宙可以顯著實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)營現(xiàn)代化。如今,，許多制造工廠已經(jīng)開發(fā)出工業(yè)協(xié)作機(jī)器人來承擔(dān)不同的高級任務(wù),，這些任務(wù)需要人類更多的認(rèn)知技能、智能和領(lǐng)域知識,，才能立即高精度地響應(yīng)意外行為或事件,。因此,，對于制造過程和生產(chǎn)線的不同關(guān)聯(lián)任務(wù)，需要一個協(xié)作的人工智能模型從多模態(tài)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)復(fù)雜的模式,，其中的人工智能模型應(yīng)該具備解釋和推理的能力,。通過元宇宙中的虛擬實(shí)體，工業(yè)制造效率普遍借助人工智能獲得提高,，并加快了生產(chǎn)過程設(shè)計(jì),，激發(fā)了協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)，降低了質(zhì)量控制的操作風(fēng)險,，為生產(chǎn)者和客戶提供了高透明度,。

智慧城市通過物聯(lián)網(wǎng),、攝像機(jī),、社交媒體和其他來源獲取有關(guān)公民需求的有意義的信息。政府根據(jù)從用戶處自動收集的信息來改進(jìn)服務(wù),。通過使用更多的數(shù)字工具和開創(chuàng)性技術(shù),，智慧城市將通過元宇宙平臺為用戶提供更智能的交互服務(wù)，例如智能交通系統(tǒng),、智能路燈管理系統(tǒng),、自動泊車系統(tǒng)、智能社區(qū)門戶,、室內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng),。目前,盡管這些技術(shù)對智慧城市的實(shí)際影響和收益仍有限，但元宇宙可以促進(jìn)智能服務(wù)在市民日常生活中的應(yīng)用,。

人工智能與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的深度學(xué)習(xí)算法在多個方面對游戲體驗(yàn)進(jìn)行了前所未有的革命：提高 NPC(非玩家角色）的智能化,、對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模、使游戲更加美觀合理,、進(jìn)行更逼真的人與NPC交互,、降低構(gòu)建游戲世界的成本、為手游開發(fā)提供更多機(jī)會等,。比如一些主要的人工智能算法（如決策樹,、模糊邏輯、馬爾可夫模型,、基于規(guī)則的系統(tǒng)和有限狀態(tài)機(jī)）被用于游戲建模流程,、游戲動機(jī)評估、沉浸式體驗(yàn)評估,、游戲策略調(diào)整等游戲開發(fā)任務(wù)中,。

除了以上領(lǐng)域，元宇宙還在商業(yè),、人力資源,、房地產(chǎn),、去中心化金融等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。目前,，已有Decentraland,、Sandbox、Realy,、Star Atlas,、Bit.Country 、DeHealth等元宇宙項(xiàng)目提供游戲,、房地產(chǎn),、醫(yī)療等領(lǐng)域的服務(wù)和應(yīng)用。

人工智能在強(qiáng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施,、提升3D沉浸式體驗(yàn)以及豐富元宇宙中的內(nèi)置服務(wù)方面具有巨大潛力,。當(dāng)前的大多數(shù)元宇宙項(xiàng)目都限制用戶在虛擬世界中探索、擁有和定制事物,。未來,，用戶將可以在人工智能的幫助下輕松快速地創(chuàng)建超現(xiàn)實(shí)對象和內(nèi)容以創(chuàng)造獨(dú)特的體驗(yàn)。值得注意的是,，在元宇宙中,，許多人工智能輔助服務(wù)和應(yīng)用程序的決策由AI智能體做出，這些決策并不具備可解釋性,。為了克服這一問題,，可解釋的人工智能（Explainable Artificial Intelligence, XAI）必不可少。除了增強(qiáng)用戶信心,、提高模型可審計(jì)性和運(yùn)營效率外,，XAI還降低了元宇宙中生產(chǎn)內(nèi)容的法律風(fēng)險和安全威脅，同時保證了良好的用戶體驗(yàn),。