Созерцание будущего: трансформация мира через цифровые двойники.

"Г'юстон, у нас проблема", - цю фразу 14 квітня 1970 року сказав астронавт космічного корабля "Аполлон-13" Джим Ловелл у розмові з центром управління NASA. Вибух кисневого балона серйозно пошкодив системи життєзабезпечення та електроживлення корабля. Щоб урятувати екіпаж, інженери NASA на Землі використали систему-двійник - копію модуля, що відтворювала умови в космосі.

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.

Аварія на "Аполлоні-13" подарувала світу не лише фразу Ловелла. Створення копії космічного корабля стало одним із перших прототипів сучасної технології цифрових двійників, які сьогодні використовуються в багатьох сферах життя: від замовлення таксі до проєктування міст.

Швидкий прогрес у сфері Інтернету речей (IoT), дата-центрів та штучного інтелекту (ШІ) сприяв можливості створювати цифрові моделі майже всіх реальних об'єктів. Це не лише відкриває нові горизонти для технологічного розвитку та поліпшення якості життя, але й формує основу для четвертої промислової революції.

Завдяки великим обчислювальним потужностям людство отримало шанс зазирнути в майбутнє і побачити множину його варіацій, щоб в реальності обрати найоптимальніший з них.

Останнім часом цифрові двійники стали невід'ємною частиною нашого щоденного існування, і це може вразити. Ми взаємодіємо з ними практично кожного дня: під час виклику таксі, пошуку ресторану для обіду чи здійснення покупок в інтернеті.

Як і численні інші інноваційні технології, цифрові двійники набули важливого значення в контексті геополітичної конкуренції між Китаєм та Сполученими Штатами. У березні Сі Цзіньпін заявив, що ця технологія є однією з шести пріоритетних сфер, в яких Китай має намір зайняти провідні позиції і обійти США.

Що це відзначається?

Цифровий двійник – це віртуальна репрезентація фізичного об'єкта чи системи, що застосовує актуальні дані для спостереження, аналізу та передбачення їхньої поведінки в режимі реального часу.

Першопрохідцем у цій сфері традиційно вважають NASA, яке в 2010 році інтегрувало подібні технології у своїх космічних апаратах, проводячи випробування в різноманітних умовах. Однак за останні десять років впровадження цифрових двійників значно розширилося і стало актуальним не лише в аерокосмічній індустрії.

Одним із найпомітніших прикладів широкого застосування цифрового двійника є Google Maps. Цей сервіс демонструє актуальні зміни у світі в реальному часі: затори, дорожні ремонти, нові споруди. Щодня мільйони користувачів мають можливість спостерігати за змінами в дорожньому русі, обираючи найзручніший маршрут, який пропонує додаток.

Астронавти опинилися в безвихідній ситуації в космосі: нові виклики для Boeing.

На перший погляд, цифрові двійники можуть виглядати як звичайне моделювання або симуляція (створення математичної моделі за допомогою комп'ютерного дизайну). Проте ці терміни не є синонімічними.

Однією з головних особливостей використання цифрових двійників є високий рівень деталізації та постійна взаємодія з реальним об'єктом.

Ще однією невід'ємною частиною створення та використання цифрових двійників є симуляція даних. Уявіть цифрового двійника автомобіля. Для його створення спочатку збираються реальні дані про реальний автомобіль: конструкцію, матеріали, характеристики двигуна тощо.

Далі за допомогою симуляцій відтворюються різноманітні сценарії: пересування по різних дорожніх покриттях, в умовах змінної погоди та при різних рівнях навантаження. Це дає змогу проаналізувати, як автомобіль реагуватиме в тих чи інших обставинах.

Розширене використання

Цифровий аналог може бути створений для будь-якого об'єкта з реального світу: це може бути товар, процес чи система.

Компанія Rolls-Royce, відома своєю спеціалізацією на виробництві авіаційних двигунів, стала однією з перших, яка впровадила технології цифрових двійників для відстеження ефективності своїх виробів. Кожен двигун, що виготовляється цією компанією, має свою віртуальну копію.

Кожен рейс справжнього літака супроводжується безперервним потоком інформації, що надходить від датчиків до контролюючого центру, де цифрові моделі двигунів оновлюються в реальному часі. Завдяки використанню штучного інтелекту, компанія здійснює аналіз цих даних, виявляючи будь-які аномалії в порівнянні зі стандартними показниками.

Made in Germany більше не працює: чому Volkswagen змушений закривати заводи

Під час одного з авіарейсів система моніторингу виявила потенційну проблему з двигуном і змогла ідентифікувати її причину. Інженери оперативно зв'язалися з представниками авіакомпанії та екіпажем, дійшовши висновку, що політ можна продовжити. Водночас технічна команда отримала необхідні запасні частини і підготувала новий двигун. Коли літак приземлився, фахівці вже були готові до ремонту, що дозволило швидко відновити літак для наступного вильоту.

Завдяки впровадженню цифрових двигунів Rolls-Royce вдалося збільшити інтервал між технічними обслуговуваннями для деяких моделей до 50%. Окрім цього, компанія зуміла знизити обсяги запасів компонентів і запасних частин, оскільки здебільшого несправності можуть бути прогнозовані за допомогою аналізу даних.

Цифрові копії можуть суттєво покращити продуктивність в промислових виробництвах, ланцюгах постачання та в електронній торгівлі.

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

Ринок, що стрімко розвивається

Тривалий час цифрові двійники нагадували базові комп'ютерні моделі фізичних об'єктів і систем, а їхнє застосування найчастіше реалізовувалось у масштабних проєктах, де ціна помилки була надто великою.

Проте тепер, коли обчислювальні можливості значно збільшилися, а датчики можуть фіксувати сотні або навіть тисячі різних реальних параметрів, ринок цифрових двійників починає активно проникати в нові галузі.

На їхніх плечах базується весь інтернет. Як змагання за дата-центри перетворилося на нову "холодну" війну.

Застосування цифрових двійників дозволяє замінити тривалі етапи фізичного прототипування на оперативне тестування численних варіантів у віртуальному просторі. Як говорить українське прислів'я "Сім разів відміряй - один раз відріж", у цифровому середовищі є можливість безмежно проводити розрахунки різних модифікацій продукту, перш ніж зробити остаточний вибір.

Згідно з аналізом консалтингової компанії McKinsey, глобальний ринок технології цифрових двійників зростатиме приблизно на 60% щорічно протягом наступних п'яти років, досягнувши 73,5 млрд дол до 2027 року.

З впровадженням новітніх технологій штучного інтелекту, використання цифрових двійників для прогнозування майбутніх подій набуває все більшого значення для цілих регіонів. Наприклад, з 2017 року компанія Google активно працює над створенням гідрологічних моделей, що дозволяють прогнозувати повені на ріках.

Аналізуючи відкриті дані про атмосферні умови, такі як інформація про опади, супутникові зображення, вологість ґрунту та сніговий покрив, Google за допомогою генеративного штучного інтелекту створює різноманітні моделі погодних умов і інших факторів, щоб передбачити зміни в річковому басейні.

Основною проблемою для цифрових двійників є дані: трапляються випадки, коли для створення копії певного об'єкта у віртуальному світі недостатньо якісних та релевантних даних. Як наслідок існує ризик, що цифровий двійник може неточно або неправильно відображати об'єкт чи систему, яку ви хочете відтворити, оскільки часто немає чітких ознак, наскільки він відповідає реальному аналогу.

Наприклад, у проєктуванні будівлі, якщо цифровий двійник не врахує всі дані, це може призвести до помилок у розрахунках. У результаті будівля може не відповідати вимогам безпеки, а проблеми виявляться вже після завершення будівництва.

Цифрова копія особи

Прогнозується, що до 2030 року науковці зможуть розробити повноцінну 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 вчені вже почали об'єднувати моделі різних органів, людство стоїть на порозі створення повністю функціональних віртуальних організмів. Такі цифрові копії можуть працювати як боліди "Формули-1", що мають понад 250 датчиків, і які оновлюють свій цифровий двійник під час гран-прі. Але замість інженерів-механіків за їхньою роботою спостерігатиме сімейний лікар.

Революція в медицині чи просто ще одна ілюзія: чому варто ставити під сумнів стартап Neuralink Ілона Маска?

Цифрові двійники в медицині залежать від безперервного надходження даних про діяльність людського організму. Кожен візит до лікаря, прийом медикаментів, результати медичних тестів та наш спосіб життя вже фіксуються у вигляді інформації. Розумні годинники та фітнес-браслети здатні відстежувати наш серцевий ритм, якість сну, кількість пройдених кроків, а також частоту виникнення стресових ситуацій.

Всі ці відомості здатні створити чітку картину фізичного стану пацієнта в будь-який момент часу. Використовуючи цифровий двійник, лікар зможе моделювати різні варіанти лікування та налаштовувати терапію відповідно до індивідуальних потреб пацієнта з рівнем точності, який раніше не був доступним.

Один із прикладів успішних технологій - це штучна підшлункова залоза, схвалена FDA (Управління з контролю за продуктами і ліками США), яка автоматично регулює введення інсуліну для осіб з діабетом 1 типу. Цей пристрій, що імплантується під шкіру, постійно моніторить рівень глюкози в крові та передає інформацію на смартфон. У додатку цифровий двійник моделює метаболічні процеси, пов'язані з глюкозою в організмі.

Завдяки цим даним, алгоритм обчислює оптимальну дозу інсуліну та передає її через помпу безпосередньо в організм пацієнта. Таким чином, цифровий двійник виконує роль регулятора рівня глюкози, подібно до здорової підшлункової залози.