Погляд у майбутнє: як віртуальні копії трансформують наше оточення.

"Г'юстон, у нас проблема", - цю знамениту фразу 14 квітня 1970 року виголосив астронавт Джим Ловелл з космічного корабля "Аполлон-13" під час зв'язку з центром управління NASA. Вибух одного з кисневих балонів завдав серйозної шкоди системам життєзабезпечення та електропостачання корабля. Щоб врятувати екіпаж, інженери на Землі скористалися дублюючою системою - моделлю модуля, яка імітувала космічні умови.

Двійник на Землі дозволив інженерам змоделювати аварію і в режимі реального часу випробовувати різні сценарії для економії кисню, електроенергії та води. Завдяки цьому місію врятували.

Інцидент з "Аполлоном-13" приніс світові не тільки знамените висловлювання Ловелла. Виготовлення репліки цього космічного апарату стало одним з перших прикладів сучасних цифрових двійників, які нині знаходять застосування в різних сферах, починаючи від виклику таксі і закінчуючи містобудівним проектуванням.

Швидкий прогрес у сферах Інтернету речей (IoT), дата-центрів і штучного інтелекту (ШІ) сприяв створенню цифрових аналогів майже всіх об'єктів реального світу. Це надає людям нові шанси для технологічного розвитку та поліпшення якості життя, водночас стаючи фундаментом для четвертої промислової революції.

Завдяки потужним обчислювальним ресурсам, людство отримало можливість поглянути у майбутнє і вивчити різноманітні його варіанти, щоб у реальному житті вибрати найбільш оптимальний шлях.

За останні роки цифрові двійники стали набагато ближчими до нашого повсякденного життя, ніж можна уявити. Ми стикаємося з ними майже щодня: коли замовляємо таксі, шукаємо місце для обіду чи робимо покупки онлайн.

Як і багато успішних технологій, цифрові двійники стали частиною геополітичного суперництва між Китаєм та США. У березні Сі Цзіньпін оголосив, що ця технологія є однією з шести ключових галузей, у яких Китай прагне стати лідером і випередити США.

Цифровий двійник являє собою віртуальну репрезентацію фізичного об'єкта або системи, що використовує актуальні дані для спостереження, аналізу та прогнозування її роботи в режимі реального часу.

Піонером у цій галузі також заведено вважати NASA, яке у 2010 році застосовувало подібні технології для своїх космічних кораблів, тестуючи їх у різних умовах. Проте за останнє десятиліття застосування цифрових двійників вийшло далеко за межі аерокосмічної сфери.

Одним із найпомітніших прикладів широкого застосування цифрових двійників є Google Maps. Ця платформа демонструє актуальні зміни у світі в режимі реального часу: затори, роботи на дорогах, нові будівлі. Щодня мільйони людей мають можливість спостерігати за динамікою дорожнього руху, обираючи найзручніший маршрут, який пропонує додаток.

На перший погляд, цифрові двійники можуть здаватися звичайними моделями або симуляціями (створення математичної моделі з використанням комп'ютерного дизайну). Проте ці терміни не є синонімами.

Однією з ключових характеристик застосування цифрових двійників є їхня вражаюча деталізація та безперервна інтерактивність з реальним об'єктом.

Ще одним важливим аспектом розробки та експлуатації цифрових двійників є процес симуляції даних. Наприклад, розглянемо цифрового двійника автомобіля. Для його створення спочатку необхідно зібрати фактичні дані про фізичний автомобіль: його конструкцію, використовувані матеріали, технічні характеристики двигуна та інші параметри.

Далі, завдяки симуляційним технологіям, проводяться моделювання численних сценаріїв: пересування по різних видах доріг, в умовах різної погоди та при різних навантаженнях. Це дає змогу проаналізувати, як автомобіль реагуватиме в різних обставинах.

Цифровий двійник може бути створений для будь-якого елемента фізичної реальності: будь то товар, процес або ціла система.

Компанія Rolls-Royce, що спеціалізується на виробництві авіаційних двигунів, стала однією з піонерів у впровадженні цифрових двійників для відстеження ефективності своїх виробів. В результаті, кожен двигун, виготовлений компанією, має свою віртуальну модель.

Кожен рейс справжнього літака супроводжується безперервним надходженням інформації з датчиків до контрольного центру, де цифрові моделі двигунів оновлюються в реальному часі. Використовуючи штучний інтелект, компанія проводить аналіз цих даних, виявляючи будь-які аномалії від нормальних показників.

Під час одного з рейсів система спостереження зафіксувала потенційну несправність двигуна та встановила її джерело. Інженери оперативно зв’язалися з представниками авіакомпанії та екіпажем, прийнявши рішення про продовження польоту. Паралельно технічна команда підготувала запасні компоненти та новий двигун. Коли літак приземлився, фахівці вже були готові до ремонту, що дозволило швидко відновити його в експлуатації.

Використання Rolls-Royce цифрових двигунів допомогло подовжити термін між техобслуговуванням для деяких двигунів до 50%. Водночас компанія змогла зменшити запаси деталей і запчастин, оскільки більшість поломок можна передбачити завдяки аналізу даних.

Цифрові двійники здатні суттєво покращити продуктивність у промислових секторах, у постачальницьких мережах, а також у сфері електронної торгівлі.

Інтернет-торговець Amazon, обробляючи величезні обсяги даних про продажі за останні 30 років, створив цифрову модель, здатну прогнозувати попит на 400 мільйонів товарів на два роки наперед.

Довгий час цифрові двійники сприймалися як прості комп'ютерні моделі фізичних об'єктів і систем. Їх використання зазвичай обмежувалося великими проєктами, де будь-яка помилка могла коштувати дуже дорого.

Проте, з огляду на те, що обчислювальні можливості суттєво зросли, а датчики стали здатні реєструвати сотні або навіть тисячі різноманітних параметрів з навколишнього світу, ринок цифрових двійників почав активно проникати в нові галузі.

Використання цифрових двійників заміняє процес тривалого фізичного прототипування на швидке тестування різних варіантів у цифровому середовищі. За аналогією з українським прислів'ям "Сім разів відміряй - один раз відріж", у цифровому середовищі прораховувати різні варіанти зміни продукту в майбутньому можна нескінченну кількість разів, перш ніж ухвалювати остаточне рішення.

Згідно з дослідженнями консалтингової фірми McKinsey, світовий ринок технологій цифрових двійників буде розширюватися приблизно на 60% щорічно впродовж наступних п'яти років, і до 2027 року його обсяг досягне 73,5 мільярда доларів.

З появою нових технологій штучного інтелекту, використання цифрових двійників для прогнозування майбутніх подій набуває дедалі більшого значення для цілих регіонів. Наприклад, компанія Google з 2017 року активно розробляє гідрологічні моделі, що дозволяють передбачати повені на річках.

Аналізуючи відкриті дані про погодні умови, такі як інформація про опади, супутникові знімки, вологість ґрунту та сніговий покрив, Google використовує генеративний штучний інтелект для моделювання різних сценаріїв погоди та інших впливових факторів з метою прогнозування змін у річкових басейнах.

Головною перешкодою для цифрових двійників є наявність даних: іноді якісних і релевантних відомостей недостатньо для створення віртуальної копії конкретного об'єкта. Це може призвести до того, що цифровий двійник не відобразить об'єкт чи систему з необхідною точністю, адже часто не існує ясних критеріїв, що дозволяють оцінити, наскільки він відповідає своєму реальному прототипу.

Наприклад, під час розробки архітектурного проєкту, якщо цифровий двійник не відобразить усі необхідні дані, це може спричинити помилки в обчисленнях. Як наслідок, готова споруда може не відповідати стандартам безпеки, а проблеми можуть виявитися лише після завершення будівництва.

Прогнозується, що до 2030 року науковці зможуть розробити цілком дієву цифрову модель людського тіла.

Дослідники з Лондонського університету королеви Марії створюють цифрові копії сердець пацієнтів. Це дозволяє їм досліджувати різні варіанти лікування фібриляції передсердь без необхідності проводити ризиковані експерименти на реальних людях.

Оскільки науковці вже активно інтегрують моделі різних органів, людство наближається до створення повністю функціональних віртуальних організмів. Ці цифрові репліки можуть працювати аналогічно болідам "Формули-1", обладнаним понад 250 датчиками, які постійно оновлюють свої цифрові відображення під час гонок. Але замість механіків за їхнім процесом спостерігатиме сімейний лікар.

Цифрові двійники у сфері медицини потребують безперервного надходження даних про стан людського організму. Інформація про кожен візит до лікаря, прийом медичних препаратів, результати лабораторних досліджень та особливості нашого способу життя вже збирається у вигляді даних. Розумні годинники і фітнес-браслети здатні відстежувати наш серцевий ритм, якість сну, рівень фізичної активності та навіть частоту стресових ситуацій.

Усі ці інформаційні показники здатні відображати стан здоров'я пацієнта в реальному часі. Завдяки цифровому двійнику, лікар може досліджувати різні сценарії терапії та налаштовувати лікування з такою точністю, яка раніше була недоступна.

Одним із яскравих прикладів сучасних технологій є штучна підшлункова залоза, яка отримала схвалення FDA (Управління з продовольства і медикаментів США). Цей пристрій автоматично регулює подачу інсуліну для людей, що страждають на діабет 1-го типу. Вмонтований під шкіру, він постійно контролює рівень глюкози в крові та передає інформацію на смартфон. На мобільному пристрої цифровий двійник відтворює метаболічні процеси, пов'язані з обробкою глюкози в організмі.

Завдяки цим даним, алгоритм розраховує оптимальну дозу інсуліну, яка потім постачається в організм пацієнта через помпу. Таким чином, цифровий двійник виконує роль контролю за рівнем глюкози, подібно до здорової підшлункової залози у людини.