科技日报记者 张佳星
随着人工智能（AI）技术与生命科学深度融合，虚拟细胞、虚拟生命等概念备受关注。为生命系统构建出能够极致模拟真实情景的数字孪生体，正成为当下的研发热点。
作为我国虚拟现实（VR）领域的主要开拓者，中国工程院院士、虚拟现实技术与系统全国重点实验室首席科学家赵沁平带领团队，在战术演练、装备模拟、虚拟手术等领域，开发了多个有影响力的VR应用系统。
科技日报记者近日专访了赵沁平，听他讲述对于“虚实共生”以及医疗领域虚拟人体构建的思考。
AI与VR交织推动技术进步
记者：AI技术已渗透各行各业。虚实共生的社会形态是什么样的？
赵沁平：《雪崩》《黑客帝国》等许多科幻作品都描绘过虚实共生的情景。VR技术的出现，使得人类在物理世界与数字世界自由穿梭、共享实幻两类生存真正成为可能。
一直以来，许多研究者在VR、增强现实、混合现实等领域进行探索，不断推动技术发展。相关技术逐步在各行业推广应用。但距离构建可以普遍使用、高度社会化的数字世界，还存在很大的技术差距。
不过，AI、VR、云计算、物联网、区块链等技术的快速发展，催生出数字孪生、元宇宙这类贯通物理世界、数字世界和人类世界的新型互联网应用形态，为人类构建虚实融合、高度社会化的数字世界展示出未来可期的发展前景。
特别是AI大模型计算量、算法效率和推理能力的持续快速提升，使得泛连接、有机连接成为可能。传统互联网的连接对象是计算机，主要用于互联网社交和市场营销；物联网把连接对象扩展到“万物”，将应用拓展到生活和生产服务；而数字孪生、元宇宙等应用又把互联网连接对象从“万物”扩展至“万物”的数字孪生体，以及大量的数字原生对象，形成“虚实融合网络”。这必将大幅提升各行业的生产生活服务效能，拉动数字经济发展。
记者：要构建完整的虚实融合网络空间，网络与VR技术分别需要进行哪些升级？
赵沁平：虚实融合网络空间需要新型网络、AI、5G/6G、VR、区块链等技术的支撑。
首先，互联网在带宽、网速、架构、协议、Web服务等方面需要一系列技术创新和基础设施配套升级。
VR自身也需迭代发展。原来大家讲VR有三大特征——沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination），我们称之为3I。现在必须升级到VR2.0，也就是在3I基础上再增加三个“I”：智能化（Intelligentize）、互通性（Interconnection）和迭代性（Iteration）。智能化包括对虚拟环境中的智能对象及其智能行为进行建模、人机交互智能化、智能体化身之间的交互，以及内容生产的智能化等。互通性是指数字空间与物理空间的多模态数据互通融合。迭代性则是指虚拟对象的模型能随着物理对象的变化，实时或及时同步更新，以及生命体和时变体模型可依据相应规律自行演化。
记者：VR迭代升级过程中，AI能够发挥什么作用？
赵沁平：AI驱动的科学研究正在形成人机耦合协作的科研新范式，加速科学发现和技术突破进程。在VR领域，AI4VR同样在加速相关技术突破和系统研发，已经取得不少可喜成果。《中国科学：信息科学（英文版）》上发表的一篇综述全面介绍了AI大模型和技术对VR多项核心技术研发的赋能加速。
举个例子，过去从二维图片生成三维立体模型，需要大量计算与重构。现在引入多视角先验、原生3D生成模型等，可以通过文本或图像直接生成3D内容。这使得VR场景构建从过去“一砖一瓦”的模式，升级为“平地起高楼”的模式，展现出巨大潜力。
AI也在重塑传统的仿真流程。生成式AI不仅能替代或加速流体、软体、刚体等复杂物理求解器的计算，还能通过实现反向优化与实时控制，推动VR从“可视”走向“可感”。AI正在全面渗透VR的内容生产与体验反馈等各个环节，助力虚拟环境在视觉真实、物理可信、角色智能与交互自然等方面实现飞跃，为其带来更为广阔的应用前景。
越来越多人类活动向数字世界迁移
记者：目前，VR已经在不少产业中得到应用。
赵沁平：是的，越来越多的人类活动正从物理世界向数字世界迁移，不断更新大众消费体验、社交形态、生产模式和数字经济发展路径。
VR是一种新兴信息技术，还是一种新型认知工具。其引发的不仅是视觉表现的革新，也是认知模式与协作机制的某种变革。目前，VR已在工业制造、医疗健康、教育培训、文化娱乐、城市治理等行业广泛应用，成为支撑产业数字化转型的重要引擎。
具体看，工业生产中，VR已用于设计、制造、运维、培训等环节。比如工业软件大量采用VR技术进行装备的测试验证、拆装维护导引等，大幅提升装备产品全生命周期效能。教育培训中，VR能构建逼真的动态教学内容和虚实共生课堂。例如存在危险性的化学、物理实验课程，以及动物解剖课程等，以前不宜开设，现在可以了。文化旅游方面，一些传统文化和旅游资源借助VR“活”了起来。此外，VR也为安全应急处置、灾难救援等领域带来无可替代的规划、预演、训练手段，能使虚拟的演练场景更加逼真有效。
记者：在医疗领域，VR与AI结合的形式是怎样的？
赵沁平：在医疗领域，AI是辅助或替代医生对病体进行诊断、治疗；VR是构建患者的虚拟病体器官，医生可在虚拟病体器官上对其手术方案进行预演、评估和优化，然后再对病人实施手术。如上所述，AI和VR两者结合，将对医疗领域产生颠覆性影响。
AI在医疗领域的应用已有不少进展，例如基于患者的多模态医学影像进行疾病诊断和健康评估，基于深度神经网络为手术进行实时导航等。相对而言，VR在医疗中的应用差距还很大。根本原因在于，缺少一种能逼真体现人体几何、物理、生理特征的“医用虚拟人体”——一个可以进行真实医学演练的“训练场”。
记者：医用虚拟人体如何助力医学发展？
赵沁平：医用虚拟人体是对真实人体的细胞、组织、器官、系统等多层级多尺度构成单元进行多模态数据采集，并通过几何、物理、生化生理建模构建的数字化人体。它可以逼真地体现人体器官和生理系统的物理、生化生理与病理特征、演进机制以及对药械作用的反馈响应。
医学的发展一直面临三大瓶颈问题。一是高质量医科人才培养高度依赖实验动物和人类尸体，这一传统手段难以为继；二是迄今没有对医疗手术方案进行预演、评价优选的手段；三是新型药物和医疗仪器研发依赖动物、志愿者，投入大、周期长、风险高，严重制约了新药创制和医疗装置的研发。
医用虚拟人体恰恰能突破这三大瓶颈。它可以为医科生培养提供与人体高度近似的数字化人体或病体，供其进行解剖、手术等全过程学习、训练，大幅减少对动物、人类尸体等的依赖；通过虚拟人体可以构建患者的个性化病体器官模型，用于临床手术方案的预演、评价、优化，从而提高手术的精准性和成功率；虚拟人体可部分取代动物和志愿者，为新药和医疗设备研发提供实验“靶场”，从而缩短研发周期、大幅降低研发成本和风险。
构建更好的医用虚拟人体极具挑战
记者：医用虚拟人体目前发展到什么阶段了？
赵沁平：将仿真的人体和器官用于医学和医学人才培养，一直是科技界和医学界的目标。人体仿真技术经历了实材仿真、实材+机电仿真，可呈现人体有关器官的外观和部分物理特征，用于示教和一些简单的护理救治操作训练。
随着计算机仿真和相关科学技术的发展，出现了数字化仿真人体，也就是虚拟人体。早期的虚拟人体是获取真实人体点位数据构建的三维可视化人体，能够高保真地呈现人体组织、器官等，用于医学示教。后来通过矢量化器官的点位数据，并采用数学物理方法赋予其一定的物理属性，形成了可对数字化器官进行拉伸、切割等操作，并产生相应触力觉反馈的可交互物理人体，虚拟人体研究目前主要处于这一阶段。
未来要发展实现的是虚拟生理人体。它不仅具有与人体高度近似的几何、物理特征，而且具有生化生理特征，人体各构成单元可按生命规律演进演化，并对药械作用作出逼真的生理响应和反馈。
美国数字人体研究起步较早。1994年，美国采集人体数据集，构建了世界上第一个可视化人体。2013年，美国食品和药物管理局（FDA）开始着手开发和验证高度精确的个性化数字人体心脏模型，作为教育培训、医疗设备设计、测试、临床诊断等技术的共同基础。同时，他们利用虚拟心脏电生理仿真和干细胞技术，开展药物心脏毒性检测，从而缩短药物研发时间，降低研发经费。美国国立卫生研究院（NIH）2025年开始系统推进心肺血液数字孪生研究。
欧盟2007年发布《培育欧洲生理组：虚拟生理人路线图》，2009年提出《2010年及以后虚拟生理人的愿景和战略》。其中，虚拟生理人卓越网络（VPH NoE）旨在连接各种虚拟生理人项目，持续得到《地平线欧洲战略计划（2025—2027）》资助，旨在确保虚拟生理人体可完全实现，并在研究和临床试验中得到有效应用。
FDA于2025年4月宣布，未来要逐步以数字仿真和AI技术替代动物实验，标志着全球迈入虚拟生理人体竞争新阶段。
记者：我国在医用虚拟人体领域的研究现状怎么样？
赵沁平：南方医科大学（原解放军第一医科大学）2003年在“863计划”支持下成功采集我国第一具人体数据，构建了可视人体。2010年起，国家自然科学基金委员会和科技部有关科技计划每年都支持一批虚拟人体器官与医学应用研究。
这些年，我国在多模态医学数据采集与分析处理，以及人体器官的几何、物理建模等方面积累了一批基础研究和应用成果。2011年，北京航空航天大学牵头承担国家自然科学基金重大项目“可交互人体器官数字模型及虚拟手术研究”，初步构建了虚拟人体几何与物理建模技术体系，并在心血管介入手术方面得到验证，实现与欧美并跑；2024年，国家自然科学基金委员会联合中国工程院部署了“面向2040的医用数字人体发展战略研究”专项；2025年，中国科学院启动建设人类细胞谱系大科学设施，浙江大学发布“全血管数字人”。北京航空航天大学、上海交通大学、西安交通大学等高校、科研院所和一些科技企业研发生产的口腔、腹腔镜、穿刺、眼角膜移植等虚拟手术模拟器，已被越来越多的医科院校用于医科生教学，并逐步向个性化临床手术规划、预演优化、手术导航发展。
为了对我国医用虚拟人体计划实施的基础进行摸底，2024年，有关国家级专利导航支撑服务机构进行了数字人体及其应用的相关专利统计分析。数据显示，我国在这一领域的专利数量占全球的42.3%，达到11000多件，位居全球第一，是第二名美国的两倍。但从专利强度分析，我国的相关专利66.63%为低强度专利，29.96%为中强度，仅有3.41%为高强度。相较而言，美国的高强度专利占比达28.8%。
记者：构建虚拟人体听上去挺复杂。
赵沁平：确实。人体构成单元从细胞、组织、器官、生理系统到整个人体，是一个极其复杂的多尺度分层系统，具有10-12米至米的空间跨度和10-6秒至年的生存期跨度，计算复杂度极高；人体微观构成单元数量庞大，种类繁多，相互作用机理复杂，许多尚属人类未知，需要持续的科学探索研究；而且表征这些复杂对象、机制、规律的科学、数学和计算方法不足，需要一系列理论创新。
所以，探究多尺度多模态人体单元的生化生理机制，解决建模和跨尺度演化仿真问题，构建具有逼真几何形态、动态物理行为和生理与病理演化特性的医用虚拟人体，是一个极具挑战性的战略性科技目标。
记者：应如何推进相关研究工作？
赵沁平：目前关于虚拟人体的研究分散，缺少系统性，有的方向研究多，有的却鲜有人涉猎，已发表研究成果的人体器官还不到20%，且主要侧重几何、物理建模和手术交互；微观生理机制探索研究和器官级物理、生理研究没有贯通；生理系统级的整体性研究尚未开展。同时，我国构建医用虚拟人体的自有数据积累不足，相关研究工作高度依赖国外数据。
医用虚拟人体是信息、生命、医学、数理化学科高度交叉的前沿研究领域，需要组织相关学科团队，形成有效的多学科交叉协作研究群体，共研一个“中国医用虚拟人体”。
因此，建议有关部门尽快部署“医用虚拟人体研发计划”，组织国内有关高校、科研院所、医院、科技企业，形成人体细胞、组织、器官、生理系统研究贯通，理论突破、技术研发、示范应用协同的高水平研发群体；围绕计划目标，进行顶层规划，明确重大科学技术问题，制定路线图和时间表；统筹研究目标分工，强化多学科团队的交叉合作，构成系统、高效、持久的研究格局；充分运用和发展AI大模型，建立医用虚拟人体数据/模型中心和算力基础设施。
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