從專利視角看工業(yè)元宇宙的應(yīng)用與發(fā)展

隨著對(duì)元宇宙的不斷探索、理解和嘗試，或許我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)其在工業(yè)領(lǐng)域的新應(yīng)用、新機(jī)遇。

“元宇宙”概念最早出自20世紀(jì)90年代的一本科幻小說《雪崩》。小說描繪了人們通過數(shù)字替身在一個(gè)叫作Meta verse（超越宇宙）的虛擬三維空間中工作、學(xué)習(xí)、社交、娛樂的生活場(chǎng)景。

2014年，法國達(dá)索系統(tǒng)推出一款3D Experience平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了3D設(shè)計(jì)、CAD建模、仿真、測(cè)試和流程管理，覆蓋了工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的全生命周期過程。

2018年，吉利汽車的數(shù)字仿真工廠1:1高度還原了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的工廠車間，利用數(shù)字化仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集成測(cè)試、工藝驗(yàn)證和虛擬試生產(chǎn)。

2021年4月，英偉達(dá)展示了其開發(fā)的Omniverse平臺(tái)，借助3D建模、面部表情追蹤、GPU圖像渲染等技術(shù)，創(chuàng)建了主講人的虛擬形象，使其像真人一樣演講，通過這種方式以“工程師的元宇宙”稱號(hào)介紹一種直觀而高效的虛擬工作平臺(tái)——一個(gè)專注于實(shí)時(shí)仿真、數(shù)字協(xié)作的云平臺(tái)，擁有高度逼真的物理模擬引擎和高性能渲染能力。進(jìn)一步地，寶馬引入英偉達(dá)Omniverse平臺(tái)構(gòu)建自己的數(shù)字工廠，將寶馬的生產(chǎn)效率提升30%。

2022年5月的開發(fā)者大會(huì)上，微軟展示了包括元宇宙社交產(chǎn)品Microsoft Teams、元宇宙辦公產(chǎn)品Microsoft Mesh在內(nèi)的多款元宇宙應(yīng)用。Microsoft Teams可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程沉浸式開會(huì)，引入智能攝像頭，就好像在同一房間開會(huì)，且可協(xié)同操作同一個(gè)PPT；Microsoft Mesh是一種提供云服務(wù)的平臺(tái)，無論是手機(jī)、平板、電腦還是頭戴式設(shè)備都可訪問，上述兩個(gè)產(chǎn)品都體現(xiàn)了元宇宙的開放性。

工業(yè)元宇宙實(shí)現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與現(xiàn)實(shí)工業(yè)的結(jié)合。

在此基礎(chǔ)上，很多企業(yè)都使用了微軟的元宇宙產(chǎn)品，川崎重工的員工可在巡查車間時(shí)佩戴元宇宙混合現(xiàn)實(shí)頭顯Hololens，以實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)是否正常，還可利用Hololens聯(lián)系專家進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)模擬故障以幫助員工盡快修復(fù)故障；釀酒制造商百威英博引入微軟的元宇宙產(chǎn)品，追蹤從麥子收割、生產(chǎn)釀造，到上市銷售、售后服務(wù)的每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。

通過上述企業(yè)的具體實(shí)踐可知，元宇宙可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安全巡檢、遠(yuǎn)程運(yùn)維、經(jīng)營管理等工業(yè)全鏈條環(huán)節(jié)。據(jù)此，許多學(xué)者于2022年提出了“工業(yè)元宇宙”的概念。

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多種新興技術(shù)融合

業(yè)界對(duì)工業(yè)元宇宙并沒有明確的定義，中國工程院院士李伯虎在世界元宇宙大會(huì)上將其定義為：工業(yè)元宇宙是指在新發(fā)展理念指引下，整合了數(shù)字孿生、拓展現(xiàn)實(shí)XR、人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域中“人、虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間”虛實(shí)映射/交互/融合、以虛促實(shí)、以虛強(qiáng)實(shí)的工業(yè)全要素鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全價(jià)值鏈三鏈智慧、協(xié)同、開放、服務(wù)、互聯(lián)的復(fù)雜數(shù)字工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。也就是說，工業(yè)元宇宙實(shí)現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與現(xiàn)實(shí)工業(yè)的結(jié)合。

其中，數(shù)字孿生是以真實(shí)物體或系統(tǒng)為藍(lán)本，在虛擬空間中生成一個(gè)數(shù)字克隆體即物理實(shí)體的數(shù)字化映射，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等持續(xù)采集物理實(shí)體數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)虛擬映射同步更新，其貫穿制造、運(yùn)維等全過程，從而讓物理世界和數(shù)字世界之間形成雙向奔赴的共生關(guān)系。

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，是虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的統(tǒng)稱，是一場(chǎng)“把空氣變成界面”的現(xiàn)實(shí)魔術(shù)，眼鏡等頭戴式設(shè)備根據(jù)捕捉的用戶動(dòng)作，動(dòng)態(tài)調(diào)整顯示的虛擬界面內(nèi)容，無縫融合物理世界和數(shù)字世界，從而為用戶提供沉浸式交互體驗(yàn)。

人工智能，是一種賦能技術(shù)，將人類智能的特定能力“外包”給機(jī)器，它把數(shù)據(jù)當(dāng)氧氣，把算法當(dāng)神經(jīng)，不斷把“不知道”揉成“試試看”，在每一次試錯(cuò)里長出新的“為什么”，讓機(jī)器能夠像人類一樣感知、理解、學(xué)習(xí)、推理、決策從而自主解決復(fù)雜問題。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粓?chǎng)“把信任從人手里交回給數(shù)學(xué)”的集體魔術(shù)，基于密碼學(xué)簽名將每一次“誰給了誰什么”保存為一條只能追加、無法抹除的賬本記錄，將數(shù)據(jù)以“區(qū)塊”按時(shí)間成鏈，結(jié)合共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全、透明、可追溯。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互示意圖

云計(jì)算其本質(zhì)是把CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等IT資源變成像水電一樣的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，按需使用，按量計(jì)費(fèi)，向用戶提供個(gè)性化服務(wù)，用戶無需關(guān)心資源背后的具體細(xì)節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過傳感器和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，讓普通物體具備“感知、通信、計(jì)算、控制”能力，形成“人-機(jī)-物”實(shí)時(shí)交互的智能世界，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控等功能。

綜上所述，工業(yè)元宇宙就是在生產(chǎn)制造過程中利用人工智能技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)獲取實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從產(chǎn)品到設(shè)備、產(chǎn)線、工廠實(shí)現(xiàn)全要素?cái)?shù)字孿生，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界和孿生世界的雙開發(fā)，以區(qū)塊鏈提供安全溯源以及云計(jì)算提供強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)資源配置，實(shí)現(xiàn)多種主體的互動(dòng)與協(xié)同，從而達(dá)到人、機(jī)、物、系統(tǒng)等之間的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)現(xiàn)實(shí)工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

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推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

為深入貫徹黨的二十大精神，落實(shí)“推進(jìn)新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國”有關(guān)部署，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《元宇宙產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2023-2025年）》（以下簡稱《行動(dòng)計(jì)劃》），為當(dāng)前元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了路徑指引。《行動(dòng)計(jì)劃》提出堅(jiān)持場(chǎng)景牽引，即開拓元宇宙應(yīng)用場(chǎng)景，以場(chǎng)景建設(shè)帶動(dòng)元宇宙技術(shù)與產(chǎn)品落地應(yīng)用，形成需求牽引供給、供給創(chuàng)造需求的高水平發(fā)展局面。

在工業(yè)元宇宙中，時(shí)空的限制被打破，圍繞研發(fā)、制造和銷售環(huán)節(jié)構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈制造和服務(wù)體系。研發(fā)環(huán)節(jié)，在虛擬世界中進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試，很大程度上減少研發(fā)過程中的投入消耗和試錯(cuò)成本。制造環(huán)節(jié)，通過3D建模、智能裝配和制造，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程并大幅提升生產(chǎn)效率；倉庫、物流、公共場(chǎng)所環(huán)境下的生產(chǎn)管理、監(jiān)控和安全預(yù)警等，通過遠(yuǎn)程操作保障危險(xiǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)人員的安全。銷售環(huán)節(jié)，元宇宙成為消費(fèi)者交互參與的媒介，增強(qiáng)產(chǎn)品展示的維度，讓消費(fèi)者直觀感受產(chǎn)品，增加參與性，幫助用戶深入了解產(chǎn)品進(jìn)而提高銷售成功率。

自2022年以來，以企業(yè)和高校為主的申請(qǐng)人將工業(yè)元宇宙廣泛應(yīng)用于智能裝配和生產(chǎn)、3D建模、培訓(xùn)教學(xué)、監(jiān)控、測(cè)試仿真等領(lǐng)域，部分還涉及農(nóng)業(yè)、倉庫、物流、公共場(chǎng)所環(huán)境下的生產(chǎn)管理、監(jiān)控和安全預(yù)警等。

首先，工業(yè)元宇宙可助力智能裝配、生產(chǎn)過程。這是相關(guān)企業(yè)申請(qǐng)工業(yè)元宇宙相關(guān)專利的重點(diǎn)，且涉及汽車、航空航天、船舶、電子、建筑等不同的領(lǐng)域。裝配過程由以數(shù)字化指導(dǎo)物理裝配過程向物理、虛擬裝配過程共同進(jìn)化演變。例如，構(gòu)建航空工業(yè)元宇宙平臺(tái)，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建園區(qū)、工廠、車間、生產(chǎn)線、設(shè)備、產(chǎn)品模型，從而在元宇宙空間構(gòu)建數(shù)字飛機(jī)、工廠和供應(yīng)鏈，還可構(gòu)建虛擬人員進(jìn)行漫游、操作上述模型，通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能搜索、語音問答等功能，也就是說，上述平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)完整的應(yīng)用于航空工業(yè)的元宇宙框架，可以構(gòu)建航空工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品并在其中進(jìn)行虛擬交互。而關(guān)于其中具體智能裝配過程，在采集裝配零件的三維信息后，在工業(yè)元宇宙虛實(shí)交互系統(tǒng)中通過人工智能機(jī)器人或者機(jī)器手輔助裝配，提高裝配的效率。在進(jìn)行高危行業(yè)的施工如架設(shè)橋梁構(gòu)件時(shí)，通過元宇宙中AR模擬具體構(gòu)件從工廠預(yù)制到現(xiàn)場(chǎng)安裝的全過程，既提高安裝的準(zhǔn)確性，也保證施工人員的人身安全。另外，在通過工業(yè)元宇宙實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全流程管理過程中，可通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部件的追蹤溯源，以實(shí)時(shí)獲知各個(gè)部件的生產(chǎn)情況，做到公開透明。

其次，工業(yè)元宇宙可助力三維模型構(gòu)建過程。這在相關(guān)企業(yè)申請(qǐng)的工業(yè)元宇宙相關(guān)專利中占比較高，三維構(gòu)建的對(duì)象如牙模型、人臉模型、文物模型、礦山開采模型等，服務(wù)于各個(gè)生活和工業(yè)領(lǐng)域，尤其是不易復(fù)現(xiàn)的對(duì)象以及存在危險(xiǎn)活動(dòng)的對(duì)象。通過工業(yè)元宇宙進(jìn)行三維模型構(gòu)建不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且可以提高生產(chǎn)效率。例如，三維地圖的構(gòu)建，首先生成各建筑的三維模型，之后通過數(shù)字孿生技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界復(fù)制到虛擬世界，后續(xù)可為城市規(guī)劃、路徑導(dǎo)航等提供科學(xué)合理的支撐。

最后，工業(yè)元宇宙可助力培訓(xùn)、教學(xué)過程。少量企業(yè)申請(qǐng)工業(yè)元宇宙相關(guān)專利，通過工業(yè)元宇宙中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品展示、操作模擬、經(jīng)驗(yàn)傳遞。例如，虛擬服務(wù)器組裝仿真培訓(xùn)過程中，先設(shè)計(jì)進(jìn)行服務(wù)器組裝的仿真系統(tǒng)，培訓(xùn)人員可通過頭戴式顯示器、耳機(jī)、手柄等人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)入虛擬仿真世界，可在其中沉浸式體驗(yàn)服務(wù)器產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)、拆解安裝的過程，從而完成培訓(xùn)過程。

另外，在電力設(shè)備的安裝培訓(xùn)以及應(yīng)急教育中，由于培訓(xùn)場(chǎng)地和應(yīng)用場(chǎng)景的限制——畢竟電力事故的后果通常比較嚴(yán)重——良好及有效的培訓(xùn)系統(tǒng)至關(guān)重要。stARstudio編輯器是聯(lián)想晨星布局工業(yè)元宇宙的一個(gè)AR場(chǎng)景創(chuàng)作平臺(tái)，國網(wǎng)將其與電力設(shè)備模型結(jié)合，在其中創(chuàng)建自己的培訓(xùn)課程，借助晨星NewG2 Pro AR眼鏡和相關(guān)控制器，可熟悉電力設(shè)備的安裝操作以及故障后應(yīng)急處理操作。

除此之外，工業(yè)元宇宙還可用于仿真測(cè)試過程，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬仿真測(cè)試環(huán)境，且可由虛擬人自動(dòng)進(jìn)行不限時(shí)不限次的仿真測(cè)試，從而降低仿真測(cè)試成本和提高仿真測(cè)試效率。而對(duì)于倉庫、工廠車間的監(jiān)控和生產(chǎn)管理，以及公共場(chǎng)所的監(jiān)控和安全預(yù)警，可以借助于虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡記錄巡檢全過程，利用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算和存儲(chǔ)，結(jié)合人工智能算法實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)并自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警；還可借助于區(qū)塊鏈技術(shù)的安全透明進(jìn)行物流運(yùn)輸全流程的跟蹤溯源過程等等。

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機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

我國工業(yè)元宇宙相關(guān)企業(yè)規(guī)模較小，應(yīng)用場(chǎng)景較分散，在此形勢(shì)下，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)、核心技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)，補(bǔ)齊短板技術(shù)，推動(dòng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)的創(chuàng)新和升級(jí)，構(gòu)建工業(yè)元宇宙專利密集型產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟勢(shì)在必行。

在此基礎(chǔ)上，工業(yè)元宇宙專利產(chǎn)業(yè)化的最后一步——專利轉(zhuǎn)化運(yùn)用，要通過盤活存量專利，優(yōu)化供需對(duì)接，加大推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)元宇宙典型軟硬件產(chǎn)品規(guī)模化落地實(shí)施，加快專利價(jià)值實(shí)現(xiàn)，加速制造業(yè)高端化、智能化、綠色化升級(jí)，支撐構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系。隨著對(duì)元宇宙的不斷探索、理解和嘗試，或許我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)其在工業(yè)領(lǐng)域的新應(yīng)用、新機(jī)遇。希望制造業(yè)與元宇宙交叉融合，推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)制造走向工業(yè)4.0智能制造。（作者單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2026年1月號(hào)）

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編校：苑寶平，審讀：郭麗

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