從專利視角看工業元宇宙的應用與發展

隨著對元宇宙的不斷探索、理解和嘗試，或許我們還會發現其在工業領域的新應用、新機遇。

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

2014年，法國達索系統推出一款3D Experience平臺，實現了3D設計、CAD建模、仿真、測試和流程管理，覆蓋了工業領域產品的全生命周期過程。

2018年，吉利汽車的數字仿真工廠1:1高度還原了一個現實的工廠車間，利用數字化仿真技術，實現對設備的集成測試、工藝驗證和虛擬試生產。

2021年4月，英偉達展示了其開發的Omniverse平臺，借助3D建模、面部表情追蹤、GPU圖像渲染等技術，創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”稱號介紹一種直觀而高效的虛擬工作平臺——一個專注于實時仿真、數字協作的云平臺，擁有高度逼真的物理模擬引擎和高性能渲染能力。進一步地，寶馬引入英偉達Omniverse平臺構建自己的數字工廠，將寶馬的生產效率提升30%。

2022年5月的開發者大會上，微軟展示了包括元宇宙社交產品Microsoft Teams、元宇宙辦公產品Microsoft Mesh在內的多款元宇宙應用。Microsoft Teams可實現遠程沉浸式開會，引入智能攝像頭，就好像在同一房間開會，且可協同操作同一個PPT；Microsoft Mesh是一種提供云服務的平臺，無論是手機、平板、電腦還是頭戴式設備都可訪問，上述兩個產品都體現了元宇宙的開放性。

工業元宇宙實現了數字技術與現實工業的結合。

在此基礎上，很多企業都使用了微軟的元宇宙產品，川崎重工的員工可在巡查車間時佩戴元宇宙混合現實頭顯Hololens，以實時查看生產數據是否正常，還可利用Hololens聯系專家進行遠程指導，通過數字孿生系統模擬故障以幫助員工盡快修復故障；釀酒制造商百威英博引入微軟的元宇宙產品，追蹤從麥子收割、生產釀造，到上市銷售、售后服務的每個環節的數據。

通過上述企業的具體實踐可知，元宇宙可應用于工業領域，且覆蓋產品設計、生產制造、安全巡檢、遠程運維、經營管理等工業全鏈條環節。據此，許多學者于2022年提出了“工業元宇宙”的概念。

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多種新興技術融合

業界對工業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上將其定義為：工業元宇宙是指在新發展理念指引下，整合了數字孿生、拓展現實XR、人工智能、區塊鏈、云計算、物聯網等技術，實現工業領域中“人、虛擬空間與現實空間”虛實映射/交互/融合、以虛促實、以虛強實的工業全要素鏈、全產業鏈和全價值鏈三鏈智慧、協同、開放、服務、互聯的復雜數字工業經濟系統。也就是說，工業元宇宙實現了數字技術與現實工業的結合。

其中，數字孿生是以真實物體或系統為藍本，在虛擬空間中生成一個數字克隆體即物理實體的數字化映射，通過傳感器、物聯網等持續采集物理實體數據，驅動虛擬映射同步更新，其貫穿制造、運維等全過程，從而讓物理世界和數字世界之間形成雙向奔赴的共生關系。

擴展現實，是虛擬現實、增強現實、混合現實的統稱，是一場“把空氣變成界面”的現實魔術，眼鏡等頭戴式設備根據捕捉的用戶動作，動態調整顯示的虛擬界面內容，無縫融合物理世界和數字世界，從而為用戶提供沉浸式交互體驗。

人工智能，是一種賦能技術，將人類智能的特定能力“外包”給機器，它把數據當氧氣，把算法當神經，不斷把“不知道”揉成“試試看”，在每一次試錯里長出新的“為什么”，讓機器能夠像人類一樣感知、理解、學習、推理、決策從而自主解決復雜問題。

區塊鏈是一場“把信任從人手里交回給數學”的集體魔術，基于密碼學簽名將每一次“誰給了誰什么”保存為一條只能追加、無法抹除的賬本記錄，將數據以“區塊”按時間成鏈，結合共識機制實現數據的安全、透明、可追溯。

虛擬現實交互示意圖

云計算其本質是把CPU、內存、網絡等IT資源變成像水電一樣的基礎設施服務，按需使用，按量計費，向用戶提供個性化服務，用戶無需關心資源背后的具體細節。

物聯網技術通過傳感器和互聯網實現萬物互聯，讓普通物體具備“感知、通信、計算、控制”能力，形成“人-機-物”實時交互的智能世界，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控等功能。

綜上所述，工業元宇宙就是在生產制造過程中利用人工智能技術，基于物聯網獲取實時基礎數據，從產品到設備、產線、工廠實現全要素數字孿生，擴展現實技術實現物理世界和孿生世界的雙開發，以區塊鏈提供安全溯源以及云計算提供強大的計算、存儲資源配置，實現多種主體的互動與協同，從而達到人、機、物、系統等之間的有機結合，促進現實工業的高質量發展。

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推動產業創新發展

為深入貫徹黨的二十大精神，落實“推進新型工業化，加快建設制造強國、網絡強國、數字中國”有關部署，工業和信息化部印發了《元宇宙產業創新發展三年行動計劃（2023-2025年）》（以下簡稱《行動計劃》），為當前元宇宙產業發展提供了路徑指引。《行動計劃》提出堅持場景牽引，即開拓元宇宙應用場景，以場景建設帶動元宇宙技術與產品落地應用，形成需求牽引供給、供給創造需求的高水平發展局面。

在工業元宇宙中，時空的限制被打破，圍繞研發、制造和銷售環節構建起覆蓋全產業鏈制造和服務體系。研發環節，在虛擬世界中進行設計、仿真、測試，很大程度上減少研發過程中的投入消耗和試錯成本。制造環節，通過3D建模、智能裝配和制造，從而優化生產流程并大幅提升生產效率；倉庫、物流、公共場所環境下的生產管理、監控和安全預警等，通過遠程操作保障危險環節作業人員的安全。銷售環節，元宇宙成為消費者交互參與的媒介，增強產品展示的維度，讓消費者直觀感受產品，增加參與性，幫助用戶深入了解產品進而提高銷售成功率。

自2022年以來，以企業和高校為主的申請人將工業元宇宙廣泛應用于智能裝配和生產、3D建模、培訓教學、監控、測試仿真等領域，部分還涉及農業、倉庫、物流、公共場所環境下的生產管理、監控和安全預警等。

首先，工業元宇宙可助力智能裝配、生產過程。這是相關企業申請工業元宇宙相關專利的重點，且涉及汽車、航空航天、船舶、電子、建筑等不同的領域。裝配過程由以數字化指導物理裝配過程向物理、虛擬裝配過程共同進化演變。例如，構建航空工業元宇宙平臺，利用數字孿生技術構建園區、工廠、車間、生產線、設備、產品模型，從而在元宇宙空間構建數字飛機、工廠和供應鏈，還可構建虛擬人員進行漫游、操作上述模型，通過人工智能技術實現智能搜索、語音問答等功能，也就是說，上述平臺構建了一個完整的應用于航空工業的元宇宙框架，可以構建航空工業相關產品并在其中進行虛擬交互。而關于其中具體智能裝配過程，在采集裝配零件的三維信息后，在工業元宇宙虛實交互系統中通過人工智能機器人或者機器手輔助裝配，提高裝配的效率。在進行高危行業的施工如架設橋梁構件時，通過元宇宙中AR模擬具體構件從工廠預制到現場安裝的全過程，既提高安裝的準確性，也保證施工人員的人身安全。另外，在通過工業元宇宙實現產品的全流程管理過程中，可通過區塊鏈技術實現對各個部件的追蹤溯源，以實時獲知各個部件的生產情況，做到公開透明。

其次，工業元宇宙可助力三維模型構建過程。這在相關企業申請的工業元宇宙相關專利中占比較高，三維構建的對象如牙模型、人臉模型、文物模型、礦山開采模型等，服務于各個生活和工業領域，尤其是不易復現的對象以及存在危險活動的對象。通過工業元宇宙進行三維模型構建不僅可以降低生產成本，而且可以提高生產效率。例如，三維地圖的構建，首先生成各建筑的三維模型，之后通過數字孿生技術將現實世界復制到虛擬世界，后續可為城市規劃、路徑導航等提供科學合理的支撐。

最后，工業元宇宙可助力培訓、教學過程。少量企業申請工業元宇宙相關專利，通過工業元宇宙中虛擬現實技術實現產品展示、操作模擬、經驗傳遞。例如，虛擬服務器組裝仿真培訓過程中，先設計進行服務器組裝的仿真系統，培訓人員可通過頭戴式顯示器、耳機、手柄等人機交互設備進入虛擬仿真世界，可在其中沉浸式體驗服務器產品的具體結構、拆解安裝的過程，從而完成培訓過程。

另外，在電力設備的安裝培訓以及應急教育中，由于培訓場地和應用場景的限制——畢竟電力事故的后果通常比較嚴重——良好及有效的培訓系統至關重要。stARstudio編輯器是聯想晨星布局工業元宇宙的一個AR場景創作平臺，國網將其與電力設備模型結合，在其中創建自己的培訓課程，借助晨星NewG2 Pro AR眼鏡和相關控制器，可熟悉電力設備的安裝操作以及故障后應急處理操作。

除此之外，工業元宇宙還可用于仿真測試過程，利用虛擬現實技術模擬仿真測試環境，且可由虛擬人自動進行不限時不限次的仿真測試，從而降低仿真測試成本和提高仿真測試效率。而對于倉庫、工廠車間的監控和生產管理，以及公共場所的監控和安全預警，可以借助于虛擬現實眼鏡記錄巡檢全過程，利用云計算技術進行海量數據的分布式計算和存儲，結合人工智能算法實時分析數據并自動識別危險情況進行預警；還可借助于區塊鏈技術的安全透明進行物流運輸全流程的跟蹤溯源過程等等。

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機遇與挑戰并存

我國工業元宇宙相關企業規模較小，應用場景較分散，在此形勢下，拓展應用領域，加強基礎技術、核心技術的研發和攻關，補齊短板技術，推動優勢技術的創新和升級，構建工業元宇宙專利密集型產業以及相關產業聯盟勢在必行。

在此基礎上，工業元宇宙專利產業化的最后一步——專利轉化運用，要通過盤活存量專利，優化供需對接，加大推廣應用，實現元宇宙典型軟硬件產品規模化落地實施，加快專利價值實現，加速制造業高端化、智能化、綠色化升級，支撐構建現代化產業體系。隨著對元宇宙的不斷探索、理解和嘗試，或許我們還會發現其在工業領域的新應用、新機遇。希望制造業與元宇宙交叉融合，推動傳統工業制造走向工業4.0智能制造。（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心）

（文章來源：《創意世界》2026年1月號）

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編校：苑寶平，審讀：郭麗

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