¿Y si fuera posible simular de manera ultra precisa y en tiempo real el comportamiento de un motor de avión, de una fábrica o de un órgano del cuerpo humano sin ningún impacto en el modelo real? Tal es la teoría sobre la que se basa el concepto de Digital Twins o réplicas digitales, una revolución destinada a transformar nuestro enfoque del mundo industrial y, a largo plazo, de la civilización entera…
¿Cuál es la ventaja del universo digital? Proviene del hecho de que podemos probar una situación a voluntad, sin riesgo real. En un videojuego, si nuestro personaje es eliminado en una escena, podemos retomarla y probar otra táctica. En el mundo real, esta posibilidad de reintentar generalmente no existe. Ciertas circunstancias de alto riesgo no permiten el más mínimo error, algunas malas decisiones pueden resultar fatales.
Esa es la lógica que presidió la creación de los Digital Twins o gemelos digitales, el equivalente a réplicas ultra precisas de un fenómeno real: parques eólicos, artefactos aeronáuticos, glaciares… La ambición es poder poner a prueba las réplicas digitales antes de aplicar las tácticas óptimas en el mundo físico.
¿Quién inventó los Digital Twins?
Fue en 1991 cuando el concepto fue mencionado por primera vez en el libro de un profesor de informática de Yale, David Gelernter: Mirror Worlds: or the Day Software Puts the Universe in a Shoebox… How It Will Happen and What It Will Mean (Mundos espejo: el día en que el software pone el universo en una caja de zapatos – cómo sucederá y lo que significará).
Este libro visionario describe un futuro en el cual nuestro mundo estaría transpuesto a un universo digital, abriendo el camino a herramientas de gestión, supervisión o predicción.
Hubo que esperar hasta 2002 para que la visión de Gelernter se transformara en una potencial aplicación concreta, en la industria manufacturera. Michael Grieves, profesor en la Universidad de Michigan y consultor en innovación, presentó el concepto de Digital Twin durante un seminario organizado en su universidad. Su idea: sería posible optimizar el ciclo de vida de los productos creando una réplica digital de cada objeto físico, la cual se alimentaría de un flujo continuo de datos del mundo real. Algunos años después, Grieves inventó el término Digital Twin.
La NASA adopta oficialmente el término en 2010. John Vickers, jefe principal de tecnología (Principal Technologist) emplea la expresión Digital Twin en el marco de un programa propio. Define al Digital Twin como una evolución de los modelos de simulación. La diferencia radica en que el Digital Twin está en conexión permanente con su equivalente físico.
En realidad, la NASA comenzó a utilizar los principios de los Digital Twins desde los años 60. En el marco de las misiones Apollo, cada nave enviada al espacio contaba con una réplica en tierra, utilizada para reproducir en tiempo real las condiciones de vida de los astronautas. Durante la misión Apollo 13, que enfrentó numerosos contratiempos (explosión de un tanque de oxígeno), los ingenieros utilizaron la réplica en tierra para simular diversas soluciones de emergencia. La película Apolo 13 (1995 – Ron Howard) mostró cómo los equipos en tierra eran capaces de reproducir los gestos de los astronautas e improvisar soluciones en la réplica de la nave espacial.
¿Qué es un Digital Twin?
Un Digital Twin es una réplica de un objeto o un proceso del mundo físico en el universo digital. Está alimentado permanentemente por datos provenientes de sensores lo más numerosos posibles. Al operar el Digital Twin, es posible anticipar el comportamiento de su contraparte física y también corregirlo u optimizarlo. El Digital Twin puede explotar algoritmos de inteligencia artificial y facilitar la toma de decisiones óptimas.
¿Cuál es la diferencia con una simulación?
La tentación es grande, a primera vista, de asimilar los Digital Twins a simples simulaciones como existen en muchos sectores lúdicos y profesionales. Sin embargo, la diferencia es vasta.
Una simulación generalmente se aplica a un modelo predeterminado. Así, una reproducción de una cabina de pilotaje ferroviario facilitará la reproducción de las acciones a adoptar en el marco de hipótesis precisas: velocidad del viento, condiciones de luminosidad externa, etc.
Un Digital Twin es mucho más que una simulación. En primer lugar, está alimentado en tiempo real por los datos de su modelo físico. Por lo tanto, reproduce el funcionamiento de su contraparte física. Y evoluciona de manera dinámica y no predeterminada en el sentido de que adapta permanentemente su situación según los datos recibidos de los sensores.
Además, un Digital Twin puede integrar múltiples objetos o procesos simultáneos, como en el caso de una fábrica donde cada máquina tendría una réplica en el mundo virtual. Finalmente, la comunicación es bidireccional. La réplica digital, gracias a sus algoritmos inteligentes, puede influir en las decisiones tomadas a nivel del original en el mundo físico.
Así pues, una simulación se basa en un escenario fijo incluso si puede ser complejo, mientras que un Digital Twin opera de manera continua a partir de las situaciones captadas en el presente, y por lo tanto, con la capacidad de operar de nuevo, como cuando un avión dotado de un Digital Twin toma una ruta que nunca antes había tomado.
Los elementos de un Digital Twin
Los componentes de un Digital Twin incluyen:
- Sensores que recolectan datos del mundo físico;
- Una plataforma digital a la que se envían estos datos;
- Modelos matemáticos que reproducen el comportamiento real;
- Algoritmos de inteligencia artificial, capaces de aprender y anticipar.
La jerarquía de los gemelos digitales
Los Digital Twins pueden intervenir en varios niveles. Para ilustrarlos mejor, tomaremos el ejemplo de un parque eólico. Cada turbina está equipada con sensores que monitorean parámetros clave: temperatura exterior, condiciones meteorológicas, producción de energía… Estos datos se transmiten a la réplica digital para poder identificar problemas de rendimiento o realizar simulaciones. Los elementos considerados serán los siguientes:
- El gemelo de componentes es la unidad base. Por ejemplo, sería una pieza particular de una turbina eólica que representa una pieza específica.
- Gemelo de activo: varios componentes se combinan para analizar sus interacciones. Así, en una turbina eólica, el generador, el multiplicador de velocidad y el sistema de palas forman un activo funcional que es el corazón del motor.
- Gemelo de sistema: el conjunto de activos que forman un sistema completo, por ejemplo, una turbina eólica.
- Gemelo de proceso: la modelización de toda una cadena de producción. En nuestro ejemplo, sería el parque eólico.
Al gestionar estas diversas jerarquías de gemelos, es posible optimizar el funcionamiento del parque eólico.
¿Qué usos tiene?
Entre los sectores que ya se benefician de la presencia de gemelos digitales, se encuentran los siguientes.
Industria
En ciertas fábricas de Airbus, Unilever o GSK, los Digital Twins ayudan a anticipar averías, reducir los tiempos de inactividad y agilizar la producción, modelando por ejemplo cadenas de ensamblaje enteras.
Automóvil
Algunos fabricantes (Renault, BMW, Volvo, Tesla…) utilizan gemelos digitales para evaluar el comportamiento de sus vehículos en condiciones reales, optimizar la aerodinámica o predecir el desgaste de las piezas.
Ingeniería civil
Al cruzar datos de carga, desgaste, condiciones climáticas, los Digital Twins pueden monitorear estructuras como puentes (Forth Road Bridge en Escocia), túneles (túnel del Mont Blanc que conecta Francia con Italia) o rascacielos (One Vanderbilt – Nueva York).
Salud
Facilitan la elaboración de tratamientos personalizados, adaptados a cada individuo.
Urbanismo
En las smart cities (ciudades inteligentes) como Singapur, Shanghái, Las Vegas, pero también Rennes en Francia, los Digital Twins ayudan a gestionar el tráfico, el consumo energético….
Los beneficios
La presencia de Digital Twins como en los casos mencionados trae una reducción de costos, una mejora continua del rendimiento y un mantenimiento optimizado y por lo tanto menos frecuente. También abre el camino a una I+D y a innovaciones apreciables.
Una tecnología en pleno auge
Un estudio publicado por MarketsandMarkets en julio de 2022 estimó que el mercado representaba entonces 6,9 mil millones de dólares. Otro estudio de Industry Sourcing proyectaba un fuerte crecimiento: 73,5 mil millones de dólares para 2027. Esto se debería principalmente a la adopción de los Digital Twins en los sectores de la industria manufacturera, la salud, la automoción y la energía.
¿Un Digital Twin de la Tierra?
A largo plazo, es posible modelar elementos cada vez más amplios y algunos incluso han mencionado la posibilidad de crear un Digital Twin de nuestro planeta. Uno de los objetivos sería prever mejor las perturbaciones climáticas y su impacto. La idea no es ciencia ficción, ya que varios proyectos se han lanzado en este sentido:
- Destination Earth (DestinE) – Europa
- Digital Twin Earth (Agencia Espacial Europea)
- En menor medida, Google Earth Engine
La idea tiene sentido, ya que tales Digital Twins ayudarían a prever el impacto de la deforestación o la contaminación. Resta evaluar el costo ecológico de tales simulaciones, ya que los Digital Twins requieren una gran potencia informática y por tanto energética. Por lo tanto, es importante determinar hasta qué nivel vale la pena la pena la inversión.
