Cyfrowi bliźniacy

Technologie kosmiczne stanowią źródło innowacji dla licznych branż związanych głównie z mikroelektroniką, oprogramowaniem i komunikacją, pozwalając nam stworzyć współczesne cyfrowe społeczeństwo. NASA, w ramach projektu księżycowego, stworzyła fizyczne kopie pojazdów i urządzeń, które wykorzystywali astronauci, aby podczas misji na bieżąco rozwiązywać potencjalne problemy bez konieczności zaglądania do ogromnej dokumentacji. Uratowało to życie uczestnikom misji Apollo 13, kiedy doszło do nieprzewidzianej awarii, z którą poradzono sobie w bardzo niestandardowy sposób. Ówczesne możliwości obliczeniowe komputerów nie pozwalały na stworzenie cyfrowej dokumentacji misji, co jest możliwe współcześnie.

Cyfrowe bliźniaki (ang. digital twins, DT) stanowią dokładną cyfrową kopię rzeczywistych obiektów, stanowiąc model rzeczywistego systemu, z którym można dowolnie eksperymentować w ramach różnego rodzaju symulacji. Te próby są realizowane tanio, szybko i bez ryzyka. Tworzone modele są przy tym dynamiczne, mogą więc odzwierciedlać wiele atrybutów otoczenia i ich wzajemną interakcję. Szczególnym wyzwaniem jest uwzględnienie w nich wpływu różnych czynników biologicznych, w tym roślin i zwierząt.

Pierwsze modele cyfrowe miały za zadanie przede wszystkim analizować cykl życia produktów z możliwością wizualizacji danych. Obecnie ich potencjał jest coraz częściej wykorzystywany do celów strategicznych, znacznie bardziej złożonych. Z punktu widzenia misji kosmicznych mogą więc objąć zarówno kwestie technologii, jak też środowiskowe, biznesowe, zdrowotne i inne. W ten sposób wspierają realizację znacznie bardziej ambitnych celów zrównoważonego rozwoju oraz poprawy zdrowia i bezpieczeństwa.

Tworzenie skomplikowanych modeli wymaga korzystania z licznych czujników mierzących parametry fizyczne, łączących się między sobą i z systemem nadrzędnym w ramach Internetu Rzeczy. To świetne zastosowanie dla sieci 5G, jak również dla rozwiązań rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej. Do konstruowania cyfrowych bliźniaków są też stosowane rozwiązania sztucznej inteligencji, dzięki której możliwe jest diagnozowanie, kontrolowanie i prognozowanie zachowania różnych układów fizycznych w warunkach prawdopodobnych do wystąpienia.

Zapotrzebowanie na cyfrowe modele jest ogromne. Dotyczą one zarówno skali mikro (np. reakcje skóry na czynniki starzeniowe), jak też makro (np. globalne prognozy zmian klimatu). Wyzwanie związane z tempem osiągania neutralności węglowej powoduje zapotrzebowanie na modelowanie sposobów służących zmniejszeniu zużycia energii oraz wdrażaniu alternatywnych rozwiązań ekologicznych np. w budynkach. Odpowiadają one za prawie 40 proc. światowego zużycia energii i proporcjonalny poziom emisji gazów cieplarnianych, zaś szacowany potencjał redukcji zużycia energii i emisji wynosi w nich nawet 50 proc. Tworzenie cyfrowych bliźniaków pozwala wykonywać symulacje bez konieczności przerywania funkcjonowania budynków. Wystarczy zainstalować w nich odpowiedni zestaw czujników. W podobny sposób można badać funkcjonowanie turbin wiatrowych, aż do sprawdzania wytrzymałości i trwałości pojedynczych śrub. Dzięki temu spadają koszty konserwacji i zapobiega się potencjalnym awariom.

Pandemia koronawirusa spowodowała gwałtowny wzrost zapotrzebowania na usługi telemedyczne. Ich świadczenie w sposób skuteczny wymaga więcej niż tylko połączenia głosowego. Pacjenci powinni dysponować czujnikami monitorującymi ich stan zdrowia online, których analiza jest wspomagana sztuczną inteligencją. Podobnie istotne są kwestie bezpieczeństwa zakaźnego w miejscu pracy. Prowadzone są symulacje rozprzestrzeniana się patogenów wirusowych drogą kropelkową w pomieszczeniach, sposoby zapewnienia sterylności produkcji realizowanej z udziałem ludzi oraz zabezpieczania miejsc pracy w pomieszczeniach wieloosobowych.

Wykorzystanie cyfrowych bliźniaków ma ogromny potencjał. Jak każda nowa technologia wymaga integracji
wielu platform technologicznych oraz wdrożeń, w których realizacji uczestniczą ludzie z pasją i wiarą w celowość prowadzonych działań. Nabywanie wiedzy i doświadczenia wymaga czasu i cierpliwości, a także akceptacji możliwych porażek. Modele cyfrowe zawsze stanowią pewne uproszczenie obiektów i zjawisk fizycznych. W podobny sposób „odbierają świat” pojazdy autonomiczne, których decyzje zależą od ograniczonej liczby informacji i nie sprawdzają się – jak dotąd – zawsze i wszędzie. Każda kolejna generacja wdrażanych rozwiązań jest jednak doskonalsza i bardziej dostępna dla szerokiego grona użytkowników. Ważne, abyśmy aktywnie uczestniczyli w tym rozwoju, tworząc coraz doskonalsze kopie naszego otoczenia, żeby ono samo stało się bezpieczniejsze, zdrowsze i trwalsze.

Krzysztof Hajdrowski

Czytaj dalej