Cada vez es más habitual oír hablar de los gemelos digitales o digital twins. Y es que, esta tecnología de réplica virtual conlleva grandes beneficios en ahorro de costes y eficiencia para muchas industrias. En este artículo profundizamos sobre estos modelos y su prometedor futuro.
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Qué son los gemelos digitales
Un gemelo digital consiste en realizar una réplica virtual de un objeto, proceso y servicio, con el objetivo de disponer de un prototipo capaz de simular toda la experiencia del producto homólogo analizado datos masivamente.
Esta innovación tiene una relación directa con el fenómeno de Internet de las cosas. De hecho, como indican desde IBM, el gemelo digital es la capacidad de hacer una representación virtual de los elementos físicos y la dinámica de funcionamiento de un dispositivo de la Internet de las Cosas. Es más que un plano, más que un esquema. No es solo una imagen. Es mucho más que unas gafas de “realidad virtual”. Es una representación virtual tanto de los elementos como de la dinámica de cómo responde un dispositivo de IoT a lo largo de su ciclo de vida. Puede ser un motor a reacción, un edificio, un proceso en la planta de una fábrica y mucho, mucho más.
Combinan diferentes tecnologías y metodologías como la Inteligencia Artificial (IA), Machine Learning (ML), fotogrametría o Building Infomartion Model (BIM), entre otras.
Cómo nacieron: un poco de historia sobre digital twins
El concepto digital twins se atribuye a David Gelernter en la publicación de Mirror Worlds en 1991. Sin embargo, fue el Doctor Michael Grieves quien llevó a cabo la primera aplicación del concepto de gemelos digitales a la fabricación en 2002 y realizó el anuncio formal del concepto de software de gemelos digitales. En 2010 fue John Vickers de la NASA quien introdujo un nuevo término “digital twin”. No obstante, la notoriedad de los gemelos digitales se ha producido recientemente debido a los avances tecnológicos que hacen posible su uso extendido a un coste competitivo.
Así las cosas, podríamos decir que el concepto se originó en la NASA al enfrentarse al reto de crear sistemas y mecanismos que deben ser monitorizados, manipulados o incluso reparados de manera remota en un ambiente del que se tiene pocos datos. Ante esta necesidad se comienzan a desarrollar, de manera virtual, prototipos de los mecanismos que se llevarán al espacio y a testearlos en este medio.
Solamente cuando el prototipo virtual se ha iterado tantas veces que su funcionamiento cumple con absolutamente todos los requerimientos, es cuando se procede a la construcción de la versión física de la maquinaria. Esta maquinaria a su vez se integra con sensores capaces de captar datos del exterior y enviar actualizaciones acerca del estado de las condiciones externas y los materiales de manera remota. Esta estrategia probó su eficacia en la misión de rescate del Apollo 13, que fue salvada gracias a los modelos y los tests realizados en los gemelos digitales.
Cómo funcionan los gemelos digitales
Un gemelo digital es un modelo virtual diseñado para reflejar con precisión un objeto físico. El objeto en estudio (por ejemplo, una turbina eólica) está equipado con varios sensores relacionados con áreas vitales de funcionalidad. Estos sensores producen datos sobre diferentes aspectos del rendimiento del objeto físico, como la producción de energía, la temperatura, las condiciones climáticas y más. Luego, estos datos se transmiten a un sistema de procesamiento y se aplican a la copia digital.
Una vez que los datos han sido procesados, el modelo virtual se puede utilizar para ejecutar simulaciones, estudiar problemas de rendimiento y generar posibles mejoras. El objetivo es generar información valiosa que luego se puede aplicar de nuevo al objeto físico original.
Características de la tecnología de los gemelos digitales
- Conectividad: Sin conectividad la tecnología de los digital twins no sería posible, ya que nace a partir de la Internet de las Cosas (loT), que permite que los dispositivos físicos se conecten y comuniquen entre sí.
- Homogeneización: Para crear una representación digital de un producto, proceso o sistema es necesario volcar todos los datos en un mismo programa informático. Es decir, para desarrollar un prototipo virtual se toman diferentes fuentes de información y se unifican creando una base de datos única. De ahí el concepto de homogeneización.
- Reprogramable e inteligente: El gemelo digital se puede reprogramar, incluso de forma automática, a través de los sensores del producto físico, de la tecnología de Inteligencia Artificial (IA) y el análisis predictivo. Esto permite obtener información para mejorar el funcionamiento del gemelo real, es decir, el prototipo físico.
- Rastros digitales: La tecnología digital twin deja huellas digitales para que los ingenieros técnicos puedan identificar cualquier problema. De esta manera, el error queda localizado y se puede buscar una solución para que no vuelva a ocurrir.
- Modularidad: Tanto el gemelo virtual como el físico pueden dividirse en varias partes o capas. Esto facilita su fabricación y seguimiento, ya que permite identificar qué componentes hacen que no funcione bien para repararlos y mejorar todo el proceso.
Para qué sirven los gemelos digitales
La tecnología de los digital twins tiene múltiples usos, ya que puede emplearse para actuar, monitorizar y recoger datos de funcionamiento normal, pero también permite ir un paso más allá ya que al combinarse con Inteligencia Artificial es capaz de llevar a cabo de manera autónoma razonamientos y procesos de optimización que permitan obtener insights para detectar nuevas oportunidades de desarrollo y crecimiento.
Además, las posibilidades de combinación de los gemelos digitales con otras tecnologías hacen que sean exponencialmente más potentes y útiles. Por ejemplo, su combinación con la realidad digital (término que comprende tanto la realidad virtual, como la realidad aumentada y la realidad mixta), permite llegar más lejos, alcanzando un entendimiento más profundo de las posibles problemáticas y escenarios que pueden originarse, permitiendo la conexión definitiva entre el mundo virtual y digital. Permite tener una imagen en tiempo real de lo que ocurre en el plano físico, a pesar de que la persona que vaya a llevar a cabo el mantenimiento, no se encuentre físicamente en el mismo lugar que la maquinaria.
No obstante, podría decirse que existen tres usos clave de los gemelos digitales:
- Prototipo de gemelo digital (DTP): Con anterioridad a la creación de un producto físico se desarrolla uno digital para ver cómo sería y saber cómo se comportaría.
- Instancia gemela digital (DTI): Teniendo un producto real, se usa el gemelo digital para hacer pruebas en diferentes escenarios virtuales, réplicas de posibles reales.
- Digital Twin Aggregate (DTA): Recopila la información del uso anterior para así determinar capacidades de un producto, obtener pronósticos y probar parámetros operativos.
Tipos de gemelos digitales
Hay distintos tipos de gemelos digitales dependiendo del nivel de ampliación del producto. La mayor diferencia entre ellos es el área de aplicación. No obstante, es común que coexistan diferentes tipos de gemelos digitales dentro de un sistema o proceso.
Componentes gemelos / Partes gemelas
Los componentes gemelos son la unidad básica del gemelo digital, el ejemplo más pequeño de un componente funcional. Las partes gemelas son más o menos lo mismo, pero pertenecen a componentes de menor importancia.
Duplicados de activos
Cuando dos o más componentes funcionan juntos, forman lo que se conoce como activo. Gracias a los duplicados de activos es posible estudiar la interacción de dichos componentes. A partir de los estudios, se genera una gran cantidad de datos de rendimiento que se pueden procesar y, luego, se pueden convertir en conocimientos útiles.
Gemelos de sistemas o unidades
El siguiente nivel de ampliación involucra gemelos de sistemas o unidades, que le permiten ver cómo los diferentes activos se unen para formar un sistema funcional completo. Los gemelos de sistemas brindan visibilidad con respecto a la interacción de los activos y, también, pueden sugerir mejoras en el rendimiento.
Gemelos de procesos
Los gemelos de procesos, el nivel macro de ampliación, muestran cómo los sistemas trabajan juntos con el objetivo de crear una instalación de producción completa. Todos estos sistemas están sincronizados para funcionar con la máxima eficiencia. Los gemelos de procesos ayudan a determinar esquemas de tiempo precisos que, en última instancia, influyen en la eficacia general.?
Beneficios e inconvenientes
Entre los beneficios de los gemelos digitales podrías decir que las posibilidades que ofrecen estas simulaciones permiten un ahorro de costes efectivo, no sólo en procesos mecánicos. Sus aplicaciones en la simulación de servicios y procedimientos permiten a las empresas llevar a cabo mejoras continuas sin disrumpir el funcionamiento diario de los negocios. Además, hacen posible una investigación y un diseño de productos más eficaces, una eficiencia que se puede mantener durante todo el proceso de fabricación e, incluso, en el fin de vida del producto en cuestión.
Esta tecnología es especialmente interesante para las startups que desean testar la viabilidad de su idea, en los momentos más iniciales el proyecto, de manera que tengan un primer acercamiento a las condiciones reales de mercado.
Como desventaja clara, la creación de un gemelo digital no es fácil. No existe una plataforma estandarizada para ello, igual que tampoco resulta evidente la tecnología necesaria. Además, las empresas que decidan apostar por esta tecnología tendrán que enfrentarse a diferentes desafíos:
- Monitorizar y digitalizar los procesos industriales, lo que conlleva una estricta arquitectura de integración y automatización industrial.
- Multiplicar la capacidad de los sistemas de almacenamiento, gestión y análisis de datos para procesar el volumen de información necesario para los gemelos digitales.
- Pasar de las representaciones digitales a las múltiples copias digitales simultáneas, con mayor capacidad para evaluar los escenarios alternativos.
Asimismo, hay que tener en cuenta que no todos los objetos son lo suficientemente complejos como para necesitar el flujo intenso y regular de datos de sensores que requieren los gemelos digitales. Tampoco siempre vale la pena, desde el punto de vista financiero, invertir grandes cantidades de recursos en la creación de un gemelo digital.
Aplicaciones de los gemelos digitales por sectores
Los gemelos digitales tienen aplicaciones en multitud de industrias desde la manufactura hasta la salud, pasando por la construcción, la automoción o el diseño de mobiliario y electrodomésticos. Por citar algunos:
Medicina
Al igual que ocurre con los productos, los pacientes que reciben atención médica también pueden identificarse mediante el uso de gemelos digitales. El mismo tipo de sistema de datos generados por sensores se puede utilizar para rastrear una variedad de indicadores de salud y generar información clave.
Ingeniería
Los gemelos digitales pueden ser de gran ayuda en proyectos físicamente grandes como edificios, puentes u otras estructuras complejas; o proyectos mecánicamente complejos (turbinas a reacción, aviones, automóviles, cohetes..). Las grandes estructuras físicas, como grandes edificios o plataformas de perforación en alta mar, pueden mejorarse mediante gemelos digitales, especialmente durante la fase de diseño. También es útil para diseñar los sistemas que operan dentro de esas estructuras, como los sistemas HVAC (H: heating, calefacción, V: ventilating, ventilación; AC: air conditioned, aire acondicionado). La industria del automóvil y de planificación urbana son dos campos de aplicación de gemelos digitales muy prometedores.
Cadenas de producción y fabricación
Los gemelos digitales destacan por ayudar a optimizar la eficiencia de los procesos, como los que se encuentran en entornos industriales. Dado que los gemelos digitales están destinados a reflejar el ciclo de vida completo de un producto, se han vuelto omnipresentes en todas las etapas de la fabricación, ya que guían los productos desde el diseño hasta la fase final, pasando por todas las etapas intermedias. Son el futuro de la Industria Conectada y uno de los pilares de la Industria 4.0.
Utilities
Los motores grandes, incluidos los motores a reacción, los motores de locomotoras y las turbinas de generación de energía, se benefician enormemente del uso de gemelos digitales, especialmente para ayudar a establecer los plazos para el mantenimiento necesario con regularidad.
Farmacéuticas
Pasar de hacer medicamentos y vacunas en lotes a optimizar el proceso con fabricación continua será fundamental para aumentar los rendimientos de este sector en el camino hacia Pharma 4.0. Pero, los ingredientes activos son susceptibles a cambios de forma inmediata. El lote debe ser desechado si la formulación queda fuera de los parámetros aceptados. Los proveedores tendrán que invertir en análisis para ayudar a desarrollar gemelos digitales de sus operaciones para que puedan preparar sus líneas de producción para la fabricación continua.
El futuro de los gemelos digitales
En el futuro se espera que la tecnología de los gemelos digitales alcance ámbitos cada vez más amplios a medida que se van incorporando nuevos procesos, sistemas y maquinaria a diferentes aspectos de nuestra vida.
Actualmente se está produciendo un cambio en los modelos operativos existentes mediante lo que los expertos han bautizado como una “reinvención digital”.
Cada vez se dedican cantidades mayores de potencia cognitiva a su uso por lo que los gemelos digitales están constantemente aprendiendo nuevas habilidades y capacidades, lo que implica que pueden continuar generando la información necesaria para mejorar los productos y volver los procesos más eficientes.
Por poner datos, en 2020 se facturaron 3.210 millones de dólares (3.160 millones de euros); la expectativa de crecimiento en el próximo año de los gemelos digitales es del 50%; y es más, para 2030 se estima una facturación de 184.517 millones de dólares (181.400 millones de euros).
