Digital twins, cosa sono i gemelli digitali e a cosa servono

I digital twins consentono di connettere il mondo reale con una serie potenzialmente infinita di istanze virtuali. Basati su un’incredibile varietà tecnologica, consentono di elaborare i dati raccolti dai sistemi IoT per supportare processi decisionali, analisi predittive e simulazioni generative molto accurate.

TAKEAWAY

  • I digital twins sono un fenomeno tecnologico giovane, figlio del paradigma 4.0, ma la loro concezione appare evidente già cinquant’anni fa, quando la NASA salvò l’equipaggio dell’Apollo 13.
  • I digital twins consistono in una serie di istanze virtuali di un asset fisico, abilitate da un flusso continuo di dati in tempo reale che consente di utilizzare IoT, AI, machine learning, realtà virtuale e aumentata per analisi predittive e simulazioni complesse in tempo reale.
  • Le prime applicazioni dei digital twins compaiono nell’industria 4.0 e dell’industria delle costruzioni, ma il futuro appare globalizzante e l’obiettivo finale ci porta verso la creazione del metaverso.

I digital twins sono una delle rappresentazioni digitali più affascinanti dei nostri giorni. Basati su un’incredibile varietà e complessità tecnologica, i gemelli digitali costituiscono un vero e proprio connettore tra il mondo fisico e le sue infinite istanze virtuali, con cui è possibile sfruttare tutta la potenza simulativa del digitale.

Vediamo perché le aspettative sul conto dei digital twins sono così elevate, il che renderà evidente quanto sia ancora lunga la strada da percorrere.

Digital Twins: i gemelli diversi della trasformazione digitale

I digital twins sono rappresentazioni digitali di un asset fisico, come un prodotto industriale, un impianto tecnologico, un edificio o una infrastruttura urbana, per citare alcuni tra gli esempi più comuni.

La ragione per cui utilizziamo consapevolmente il plurale della sua definizione originale è volta a rimarcare il fatto che i digital twins non si limitano a replicare una singola istanza del physical twin, ma il loro punto di forza risiede nel consentire infinite varianti tematiche.

I digital twins non andrebbero confusi, come spesso capita, con i modelli 3D e le simulazioni virtuali. Vediamo il perché.

I modelli 3D sono asset digitali che replicano in maniera realistica i modelli fisici cui fanno riferimento, grazie ad un arsenale di tecnologie, tra cui la fotogrammetria 3D e gli algoritmi di resa che simulano in maniera avanzata il comportamento dei materiali.

I modelli 3D, intesi nei loro aspetti geometrici e cromatici esprimono una rappresentazione statica del modello fisico, mentre i digital twins sono per loro natura dinamici, grazie alla possibilità di scambiare dati in tempo reale con la controparte fisica, mediante i sensori dei sistemi IoT attraverso i quali si interfacciano.

Il costante flusso di dati che si genera tra i gemelli fisici e digitali consente l’interazione di diverse tecnologie abilitanti dell’industria 4.0, come l’intelligenza artificiale, la realtà aumentata, le simulazioni virtuali, i big data analytics e la già citata Internet of Things (IoT). Gli utenti possono ad esempio avvalersi di simulazioni e analisi predittive per prevenire i problemi prima che si manifestino, esplorare nuove opportunità e supportare nuovi progetti in maniera più consapevole ed oggettiva, rispetto a quanto sarebbe possibile con i metodi tradizionali.

Rispetto alle “semplici” simulazioni virtuali, focalizzate su un singolo evento o fenomeno, i digital twins coinvolgono l’intero ciclo di vita dei physical twin. Il flusso di dati in tempo reale viene elaborato per estrarre un valore informativo utile a generare conoscenza per supportare le decisioni complesse e il miglioramento continuo dei processi o dei prodotti stessi.

Houston, abbiamo un problema: il problem solving nell’era digitale

Il termine digital twin, nella sua più recente attualizzazione, è stato coniato da Michael Vickers (NASA) nel 2010, ma la prima dimostrazione al mondo del suo straordinario potenziale risale addirittura al 1970, quando la stessa NASA utilizzo 15 computer dell’epoca per creare le simulazioni che guidarono l’equipaggio dell’Apollo 13 nella leggendaria operazione di recupero spaziale, di recente raccontata al grande pubblico anche dall’omonimo film interpretato da Tom Hanks.

In letteratura, i digital twins hanno visto il proprio esordio con le pagine scritte da David Gelenter per il suo Mirror Worlds, nel 1991, mentre la prima applicazione software a livello industriale si deve a Michael Grieves (University of Michigan), nel 2002.

Si tratta dunque di un fenomeno tecnologico relativamente recente, la cui implementazione ha avuto un notevole impulso con l’avvio massivo della trasformazione digitale, grazie a nuovi paradigmi come l’industria 4.0.

Oggi i digital twins costituiscono un business emergente, che nel 2020 ha prodotto numeri stimati in 3.1 miliardi di dollari, che potrebbero diventare addirittura 48 nel 2026, secondo le recenti previsioni di Markets and Markets.

Dallo smart manufacturing alle smart cities, il connettore dei sistemi interconnessi

Alla luce delle considerazioni sin qui esposte, appare evidente come i digital twins siano scalabili dal singolo oggetto ai grandi sistemi urbani. La loro diffusione è presente soprattutto in ambito industriale (engineering, manufacturing, automotive, aerospace, energia, oil and gas, ecc.) con un potenziale applicativo enorme anche nell’industria delle costruzioni (smart home, smart building, smart cities). 

L’applicazione di sensori IoT consente ad esempio di rendere “vivi” i modelli digitali degli edifici, esprimendo pienamente il potenziale informativo della metodologia BIM per supportare l’intero ciclo di vita di una costruzione: dal concept iniziale alla manutenzione, una volta che l’opera viene realizzata.

Grazie ai digital twins è possibile avere una visione unificata dello status di un asset fisico, grazie alla combinazione in tempo reale di dati statici (specifiche tecniche, progetti architettonici, strutturali, impiantistici, ecc.) e dati dinamici (condizioni ambientali, numero di residenti, flussi orari, ecc.)

I vantaggi derivanti dall’impiego dei digital twins sono palesi. Per citare un esempio pratico possiamo fare riferimento al mondo AEC, dove tutti gli stakeholder godono di benefici specifici nelle varie fasi del ciclo di vita della costruzione:

  • investitori/proprietari: ritorno di investimento (ROI) e decisioni più semplici, grazie alla capacità di esplorare e simulare virtualmente gli scenari di investimento in tutte le fasi dell’operazione immobiliare
  • manager: operazioni e manutenzione più semplici, grazie ad applicazioni in grado di aggiornarsi dinamicamente con i dati reali degli edifici, offrendo soluzioni di monitoraggio e gestione accurati, e soprattutto migliorabili nel tempo quando supportati da applicazioni di apprendimento automatico
  • imprese/aziende: nuovi prodotti e servizi migliori ai propri clienti, sia in ambito B2B che in ambito B2C, grazie all’integrazione di soluzioni nell’ambito della smart home, in grado di interconnettere nuove funzioni: dai sistemi di gestione domotica agli elettrodomestici

Nel lungo termine, tutti i soggetti coinvolti possono inoltre godere dei benefici dovuto alle performance e alle ottimizzazioni, che si riflettono concretamente nel generale contenimento dei costi di gestione, così come dei consumi energetici, in funzione di una miglior qualità della vita negli spazi abitativi.

L’interconnessione tra i sistemi IoT dello smart building consente infatti di ottenere una conoscenza crescente delle abitudini dei consumatori, rispondendo in maniera sempre più capillare alle loro esigenze.

Se i pro appaiono evidenti, la tecnologia su cui si basano i digital twins è tutt’altro che elementare e richiede ad oggi competenze e costi di implementazione piuttosto elevati. È la ragione per cui l’implementazione di questi sistemi, al momento, risulta circoscritta – come citato in precedenza – a settori dalle capacità di investimento piuttosto elevate.

Digital Twins: il futuro è nel metaverso

La potenziale applicazione di un digital twin ad ogni aspetto rappresentabile del mondo reale è uno degli aspetti più affascinanti di questa emergente manifestazione tecnologica. Il mondo reale può infatti costituire la base per creare infiniti mondi digitali, naturali estensioni per le attività svolte dall’uomo.

Gli attuali mondi virtuali, si pensi a Second Life, piuttosto che agli environment gaming come Fortnite, anticipano alcuni aspetti di questa visione, ma mancano di un aspetto essenziale: la connessione tra la realtà e il metaverso, ovvero la realtà virtuale condivisa tramite Internet, dove si è rappresentati in tre dimensioni attraverso il proprio avatar desiderato. Ed è proprio qui che entrano in gioco i digital twins, con l’IoT a creare ancora una volta i link sensoriali necessari per interfacciare il reale e il virtuale.

La base con cui iniziare a giocare è una replica digitale del mondo reale, da “arricchire” con i dati relativi ai differenti layer funzionali (es. energia, mobilità, reti, verde urbano, ecc.), come ci mostra il video seguente.

Il metaverso viene identificato come un post web, capace di andare oltre le interfacce con cui siamo soliti navigare nella rete. Oltre al vasto campionario tecnologico già elencato, per abilitare una realtà ibrida di questa portata è necessario avvalersi dello spatial computing unitamente alle multiple istanze abilitate dai digital twins.

Digital Twins: e se il vero obiettivo non fosse il digitale?

Lo spatial computing consente di superare i limiti del tempo e dello spazio, grazie ad una geolocalizzazione che consente di “proiettare” contenuti digitali sul mondo reale in maniera persistente.

Potremo ad esempio fare una riunione all’interno della stessa stanza, con la sensazione di essere tutti nello stesso spazio, anche quando ci troviamo in luoghi differenti. Sarà possibile grazie ad ologrammi realistici, capaci di riprodurre in tempo reale una copia della nostra figura, e alla convergenza di molte tecnologie 3D, tra cui la realtà virtuale e la realtà aumentata.

Lo stesso Mark Zuckerberg, in una recente intervista a The Verge, ha dichiarato senza mezzi termini l’intenzione di trasformare Facebook in una “metaverse company”. Alla luce dei temi su cui si sta concentrando la  R&D dei big tech, appare evidente come la trasformazione digitale sia soltanto la prima fase di un processo che non ci porterà all’arrivo, ma verso un giro di boa da cui fare ritorno verso il mondo fisico.

Soltanto quando i digital twins saranno in grado di utilizzare il proprio enorme patrimonio di conoscenza per creare i physical twins, avremo quella simultaneità indispensabile per vivere davvero nel metaverso.

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Francesco La Trofa
Da vent’anni attivo nella ricerca relativa alle tecnologie 3D, divulgatore sul tema delle applicazioni enterprise di tali tecnologie e autore di “VR Developer. Il creatore di contenuti in realtà virtuale ed aumentata” (2018), edito da Franco Angeli (vrdeveloper.info). Scrive di IT anche per il portale https://www.sergentelorusso.it/
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