El gemelo digital o digital twin trata de representaciones digitales de servicios, objetos o proceso físicos con el fin de obtener información detallada sobre los mismos y realizar simulaciones controladas. Es decir, son prototipos digitales extremadamente detallados que simulan las características y el comportamiento de su equivalente físico.
Índice de temas
¿Qué es un gemelo digital? ¿Cómo nace?
La tecnología de gemelos digitales surge por primera vez en 1991, con la publicación de Mirror Worlds, de David Gelernter. Sin embargo, al Dr. Michael Grieves (profesor de la Universidad de Michigan) se le atribuye haber aplicado por primera vez el concepto de gemelos digitales a la fabricación en 2002 y haber anunciado formalmente el concepto de software de gemelo digital. Finalmente, John Vickers, de la NASA, introdujo un nuevo término: ‘gemelo digital’, en 2010.
La NASA fue pionera en el uso de la tecnología de gemelos digitales durante sus misiones de exploración espacial de la década de 1960
Aunque la idea central de utilizar un gemelo digital para estudiar un objeto físico se puede decir que es de antes, toda vez que la NASA fue pionera en el uso de la tecnología de gemelos digitales durante sus misiones de exploración espacial de la década de 1960, cuando cada nave espacial en viaje era replicada exactamente en una versión terrestre.
¿Cómo funciona un gemelo digital?
Un gemelo digital o digital twin funciona al replicar digitalmente un activo físico en el entorno virtual, con sus funcionalidades, características y comportamiento, simulando el original. Se crea una representación digital del producto mediante sensores inteligentes que recopilan datos de dicho producto. La versión digital imita y simula lo que sucede con la versión original en tiempo real, creando oportunidades para recopilar información sobre el rendimiento y cualquier problema potencial. Se puede utilizar la representación a lo largo del ciclo de vida del producto.
Se crea una representación digital del producto mediante sensores inteligentes que recopilan datos de dicho producto
Las tres dimensiones del gemelo digital
Un gemelo digital 3D es una representación virtual en tiempo real de lo que sucede en la realidad. Sin embargo, hay diferencia entre el 3D y las dimensiones de un gemelo digital, que se expresa en el concepto de datos dinámicos. A diferencia de los estáticos, los datos dinámicos cambian y se actualizan en tiempo real en el modelo 3D tan pronto como hay nueva información disponible; la información fluye en tiempo real desde el repositorio central de datos hasta donde se necesita en las operaciones, así como las actualizaciones una vez que se ha completado una tarea. De esta manera, el modelo 3D de un digital twin se actualiza constantemente.
¿Cómo se generan los gemelos digitales y para qué se utilizan?
Lo que es más evidente es que las representaciones digitales son cada vez más fieles del mundo real, mejoradas por la potencia informática masiva y el aprendizaje automático. Como ya se ha dicho, la tecnología de gemelos digitales permite supervisar el rendimiento de un activo, identificar posibles fallos y tomar decisiones mejor fundamentadas en cuanto al mantenimiento y a su ciclo de vida.
Un gemelo digital puede simular cualquier objeto, como parques eólicos, motores a reacción e incluso ciudades enteras. El software de gemelos digitales se utiliza para replicar procesos y crear simulaciones de productos y así y predecir cómo funcionarán este tipo de dispositivos o servicios.
¿Qué información contempla un gemelo digital?
La función del digital twin es muy similar a la de los prototipos, con la particularidad de que los gemelos digitales no solo permiten el análisis del producto o proceso en ese momento concreto, sino que pueden hacer predicciones respecto a posibles cambios.
También se emplean factores como la inteligencia artificial y el machine learning para que los gemelos digitales sean lo más ajustados posibles a sus versiones reales.
Algunos usos principales para los gemelos digitales serían:
- Prototipo de Gemelo digital (DTP): Creación de productos digitales antes de fabricar los físicos.
- Instancia gemela digital (DTI): Para hacer pruebas de uso del producto en un entorno digital en lugar de real.
- Digital Twin Aggregate (DTA): El objetivo es recopilar información del uso anterior y hacer predicciones.
Beneficios del uso del gemelo digital
El uso de gemelos digitales permite una investigación y un diseño de productos más eficaces, con una gran cantidad de datos creados sobre los posibles resultados de rendimiento. Esa información puede generar conocimientos que ayuden a las empresas a realizar las mejoras necesarias en los productos antes de comenzar la producción.
Incluso después de que un nuevo producto haya entrado en producción, los gemelos digitales ayudan a reflejar y monitorear los sistemas de producción, con miras a lograr y mantener la máxima eficiencia durante todo el proceso de fabricación.
Los gemelos digitales pueden incluso ayudar a los fabricantes a decidir qué hacer con los productos que llegan al final de su ciclo de vida
Los gemelos digitales pueden incluso ayudar a los fabricantes a decidir qué hacer con los productos que llegan al final de su ciclo de vida y necesitan recibir un procesamiento final, mediante reciclaje u otras medidas.
Integración de los Gemelos Digitales en el Internet de las Cosas (IoT)
El Internet de las cosas, o IoT, se refiere a la creciente red de dispositivos que tienen conexión a Internet y pueden comunicarse entre sí. Estos dispositivos incluyen de todo, desde electrodomésticos y termostatos hasta dispositivos sanitarios.
Los gemelos digitales suelen construirse a partir de modelos conceptuales, creados con una combinación de datos de modelos BIM, CAD, GIS, y datos de IoT. Al utilizar datos de sensores y datos de dispositivos habilitados para IoT, los gemelos digitales se pueden utilizar para monitorear el comportamiento y la condición de un sistema en tiempo real.
Muchos gemelos digitales están anclados a dispositivos físicos que forman parte de una red de IoT
Por ejemplo, un gemelo digital de un motor podría contener información sobre sus características de rendimiento y permitir a los ingenieros ejecutar simulaciones para probar nuevos diseños o medir el impacto de cambios futuros; muchos gemelos digitales están anclados a dispositivos físicos que forman parte de una red de IoT. Estos objetos físicos poseen identificadores únicos y contienen tecnología integrada que les permite comunicarse e interactuar con otros objetos a través de Internet o redes locales. Esta comunicación bidireccional entre gemelos digitales y dispositivos físicos de IoT les permite intercambiar información y coordinar acciones.
Las innovaciones en la tecnología IoT han impulsado la adopción de la tecnología de gemelos digitales.
Data scientist y gemelo digital
Claramente, la ciencia de datos tiene un papel central que desempeñar en la construcción de gemelos digitales. De hecho, para algunos, los gemelos digitales tienen que ver con la ciencia de los datos: tomar datos complejos en tiempo real y utilizar, por ejemplo, técnicas de inteligencia artificial para darles sentido y presentarlos a las partes interesadas y a los tomadores de decisiones. La creación de un gemelo digital es un desafío ya que necesita que la ingeniería y la ciencia de datos converjan.
El gemelo digital toma datos complejos en tiempo real y utiliza, por ejemplo, técnicas de inteligencia artificial para darles sentido
Los gemelos digitales se ven como una representación de las líneas de producción, con toda la información detallada sobre sensores y datos. Los gemelos digitales no son solo una representación gráfica de los procesos de fabricación, al estandarizar los datos y los metadatos se pueden estructurar fácilmente otras fuentes de información y vincularlas al gemelo digital, como código informático, documentación, artículos y proyectos científicos. La información se puede compartir de manera eficiente dentro de toda la empresa, entre diferentes perfiles, departamentos y silos de información.
Los beneficios para los fabricantes
Los digital twin permiten validar en un entorno virtual la eficiencia del producto o máquina ante diferentes escenarios, condiciones y variables para garantizar su incorporación en el mundo real. Utilizando herramientas como la realidad virtual, CAD, simulación 3D y el tratamiento y monitorizado de datos se elaboran gemelos digitales que permiten reducir la fase de prototipos y el time to market.
Para el fabricante, los beneficios son evidentes: ajustar y validar los parámetros de producción sin introducir cambios en planta, visualizar las dificultades y cuellos de botella del proceso productivo antes de que sucedan, tomar decisiones en tiempo real evitando paradas de fabricación, reducir la fase de prototipo y del time to market, reducir costes con la creación de prototipos virtuales sin necesidad de crear entornos físicos y asegurar el éxito de las nuevas inversiones y su retorno.
Las ventajas para los consumidores
Ya se han reseñado muchas de ellas, pero se podría hacer hincapié en la capacidad que tienen los gemelos digitales para evitar problemas antes de que se produzcan, lo que se traduce en mayor eficiencia, productividad, calidad y beneficios económicos. También previene tiempos de inactividad y permite explorar nuevas vías para aportar valor al cliente.
Para el consumidor, se puede planificar el futuro mediante simulaciones, ya que, si se introducen cambios normativos o de sistemas de trabajo, el gemelo digital permite adelantarse a posibles incidencias
Para el consumidor, se puede planificar el futuro mediante simulaciones, ya que, si se introducen cambios normativos o de sistemas de trabajo, el gemelo digital permite adelantarse a posibles incidencias. Junto a ello, se personaliza la producción a los requerimientos del cliente; antes de enfrentarse a los problemas reales en producción, un gemelo digital podría hacer simulaciones de cómo responderá la planta según las especificaciones de los distintos clientes.
Los avances para la cadena de suministro
El gemelo digital podría implementarse en la industria de la cadena de suministro de muchas maneras. Este es un modelo digital muy detallado de procesos comerciales que permite una simulación realista del futuro del negocio. Eso puede incluir KPI, demanda e inventario que tendrá la empresa.
Se pueden utilizar gemelos digitales para replicar toda una cadena de suministro o una parte de esta que se alimente en tiempo real con los datos transaccionales del negocio en producción.
Además, al gemelo digital se le pueden aplicar capacidades de machine learning e inteligencia artificial, técnicas de analítica avanzada, algoritmos de optimización y los últimos métodos de previsión de demanda, para convertirlo en una herramienta muy potente en la gestión de Supply Chain.
En la cadena de suministro, esta tecnología se puede aplicar en todas las áreas: planificación, gestión de almacenes, replanificación de la red logística, optimización de la red de transporte o para gestionar incidencias que se produzcan en la cadena de suministro.
Gemelos digitales en la empresa: campos de aplicación
Pero el uso de los gemelos digitales no está garantizado para todos los fabricantes ni para todos los productos creados. No todos los objetos son lo suficientemente complejos como para necesitar los sensores que requieren los gemelos digitales. Tampoco siempre vale la pena desde el punto de vista financiero invertir importantes recursos en la creación de un gemelo digital.
Los proyectos que se pueden beneficiar específicamente del uso de modelos digitales serían aquellos físicamente grandes, como edificios, puentes y otras estructuras complejas; proyectos mecánicamente complejos: turbinas a reacción, automóviles y aviones; equipos de energía, tanto los mecanismos para generar energía como para transmitirla; y proyectos de fabricación en entornos industriales.
Manufactura
Los gemelos digitales están destinados a reflejar todo el ciclo de vida de un producto, por lo que se han vuelto omnipresentes en todas las etapas de fabricación, guiando los productos desde el diseño hasta el producto terminado y todos los pasos intermedios.
Petróleo y Gas
La tecnología de gemelos digitales está remodelando el panorama del petróleo y el gas. Una de las aplicaciones más beneficiosas de los gemelos digitales en la industria del petróleo y el gas es el mantenimiento predictivo, el gemelo recopilará continuamente datos del activo físico y utilizará análisis predictivos y algoritmos de aprendizaje automático para predecir el rendimiento futuro, fallas o averías potenciales. También puede mejorar significativamente la eficiencia operativa, ayudar a los operadores a comprender mejor el comportamiento del yacimiento y planificar estrategias de extracción de manera más efectiva, mitigar los peligros potenciales, simular el impacto ambiental o escenarios de perforación.
En el campo del petróleo y gas, los gemelos digitales utilizan análisis predictivos y algoritmos de aprendizaje automático para predecir el rendimiento futuro
Energía
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 porque ayudan a establecer plazos para el mantenimiento necesario periódicamente.
Salud
Así como los productos sanitarios pueden perfilarse mediante el uso de gemelos digitales, también pueden hacerlo los pacientes que reciben servicios de atención médica. 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.
Entretenimiento
La industria del juego está atravesando una revolución con la llegada de la tecnología de gemelos digitales. Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la industria del juego al proporcionar un nivel de realismo e inmersión sin precedentes. De hecho, permite a los desarrolladores de juegos crear réplicas virtuales de entornos, objetos y procesos del mundo real, así como experimentar con diferentes opciones de diseño y escenarios sin tener que construirlos o probarlos físicamente.
Deporte
El digital twin también está revolucionando la forma en que los deportistas entrenan y compiten. Al crear un modelo virtual de un deportista, los entrenadores pueden simular y analizar el rendimiento en tiempo real. La tecnología recrea las características físicas del atleta, como la fuerza muscular, la potencia y el rango de movimiento, combina estos datos con información sobre el deportista y, con el modelo resultante, los entrenadores pueden predecir y prevenir lesiones, así como optimizar el rendimiento.
Ciudad inteligente
Los ingenieros civiles y otras personas involucradas en actividades de planificación urbana reciben una gran ayuda con el uso de gemelos digitales, que pueden mostrar datos espaciales 3D y 4D en tiempo real y también incorporar sistemas de realidad aumentada en entornos construidos.
Ejemplos conocidos en España
Hay muchos grandes ejemplos de gemelos digitales en los sectores de la fabricación, la cadena de suministro, la construcción y otros, a medida que las empresas adoptan IoT y tratan de optimizar la eficacia de sus implantaciones. Otros sectores, como el del petróleo y el gas y el minorista, también han creado innovadoras aplicaciones de gemelos digitales.
En España, TRAGSATEC, una empresa estatal dedicada a la protección del medio ambiente, cuenta con un gemelo digital en España: proporcionará a las autoridades una plataforma 3D para simular posibles problemas medioambientales que podrían afectar a la comarca del Campo de Cartagena y al Mar Menor.
También en nuestro país, se encuentra el proyecto del Gobierno de Cantabria, que tenía una nube de 48.000 millones de puntos procedente de los vuelos LiDAR que hace de manera conjunta y periódica con el IGN-CNIG. Su objetivo era poner en valor estos datos y crear servicios que aporten valor a la región y a sus ciudadanos. Lo que comenzó siendo una prueba de concepto del Servicio de Cartografía y Sistemas de Información Geográfica, se ha convertido en uno de los gemelos digitales más extensos a nivel internacional con 533.000 hectáreas representadas.
Otro ejemplo de gemelo digital es el de Ferrovial, empresa que al construir un gemelo digital de un edificio o de una infraestructura de transporte, realiza simulaciones para mejorar el diseño y resolver cualquier problema antes de construir. Incluso puede simular los peores escenarios en el gemelo digital.
Digital twin: una ayuda para la sostenibilidad empresarial
Un gemelo digital es una tecnología que puede proporcionar resultados sustanciales para la mejora de la sostenibilidad. Son posibles varios escenarios de modelado de datos; incluye modelar el consumo de energía, las emisiones y reducir el uso de residuos y recursos, con ello se pueden tomar decisiones sobre el uso y el desperdicio de energía y agua, lo que permite generar resiliencia y eficiencia.
Hay que tener en cuenta que la tecnología de gemelos digitales ofrece una gran oportunidad para alcanzar objetivos de sostenibilidad, desde diseñar un nuevo producto hasta planificar su producción y fabricarlo, e incluso hasta repararlo y reciclarlo.
Se necesita aplicar el pensamiento ecológico al diseñar productos. Como primer paso, es necesario crear transparencia al realizar un seguimiento de las emisiones de carbono, no solo durante la producción, sino desde la fase de diseño inicial a lo largo de toda la cadena de suministro. Además, la aplicación de los gemelos digitales ofrece máxima flexibilidad para diseñar piezas de una manera que permita la reparación y remanufactura con bajas emisiones de carbono y cumpliendo con los requisitos de materiales y procesos.
Inconvenientes
Aunque la tecnología digital twin todavía es nueva en comparación con otros avances en la industria tecnológica, la razón más importante por la que resulta tan atractiva para las empresas de todo el mundo es su capacidad excepcional para crear simulaciones en las que se pueden ejecutar sin esfuerzo diversos trabajos de desarrollo y pruebas.
Sin embargo, también existe cierta preocupación por parte de las empresas interesadas en esta tecnología por los riesgos asociados. Uno de ellos sería tergiversar el objeto o sistema que quieren replicar, que no fuera tan preciso en comparación con su contrapartida física, a pesar de la confianza que existe en que los sensores específicos que se usan y conectan escaneen exitosamente el objeto.
Un riesgo asociado al gemelo digital sería tergiversar el objeto que se quiere replicar, que no fuera tan preciso en comparación con su homólogo físico
Por otro lado, dependiendo de la complejidad del elemento físico que se intente replicar, puede haber dificultades cuando se trata de replicar la parte interior del objeto; por lo tanto, para resolver este problema, es posible que sea necesario abrir el objeto físico o representar manualmente la parte interior del mismo, mediante animación y código.
Y hay que tener en cuenta que la tecnología de gemelos virtuales debería prevalecer en todas las industrias, un inconveniente cuando se habla de su adopción por parte de las pequeñas empresas por los altos costes que conlleva.
Otros puntos que hay que tener en cuenta como posibles inconvenientes para el desarrollo de los gemelos digitales serían que el éxito de esta tecnología depende de la conectividad a Internet; hay que contemplar la seguridad, se necesitará un gemelo digital en todas las cadenas de suministro y gestionar todos los datos de diseño entre socios y proveedores a medida que evoluciona el producto físico, algo que supone un auténtico desafío.
