Il digital twin è una tecnologia che sta rivoluzionando numerosi processi e settori nell’ambito dell’industria 4.0: ecco in che cosa consiste e quali vantaggi comporta

Per parlare del digital twin, partiamo da un esempio cinematografico. Ricordiamo tutti il film Avatar. Quando uscì, nel 2009, impressionò il pubblico per gli effetti speciali e per una trama dal ritmo serrato. Avatar, nella religione induista, è il termine che indica l’incarnazione di una divinità. Nel corso degli ultimi anni è divenuto sinonimo, in informatica, della rappresentazione grafica e virtuale di un visitatore di sito web. Per tornare al film campione d’incassi, l’ex-marine protagonista della pellicola entra in un marchingegno che gli permette, a distanza, di animare un corpo che può sopravvivere su un pianeta invivibile per gli esseri umani, Pandora.

Questa piccola introduzione ci aiuta a inquadrare da subito il concetto di gemello digitale, che è una delle tecnologie più rivoluzionarie legate all’industria 4.0. In un contesto in cui i dati stanno diventando sempre più fondamentali per le aziende che vogliono crescere, occorre conoscere le tecnologie che possono ottimizzare le loro performance. Infatti l’obiettivo della tecnologia del digital twin è quello di eseguire simulazioni, individuare problemi e generare eventuali miglioramenti, producendo così preziosissimi insight che torneranno nel mondo reale, per migliorare l’oggetto originale.

Che cos’è il digital twin

Sintetizzando, il gemello digitale è una replica digitale di un oggetto fisico o di un processo intangibile (per esempio, la produzione di un articolo) che fanno parte del mondo reale. Il gemello digitale può quindi essere un prodotto, un processo, ma anche un ambiente, un sistema, un’infrastruttura e persino una persona. Spesso sull’oggetto reale è possibile piazzare sensori nelle aree più importanti che aiutano nella creazione di un gemello digitale preciso (per esempio, si può pensare di creare un gemello digitale di una bicicletta coprendo di sensori l’oggetto fisico). Infatti i sensori rilevano dati come temperatura, energia generata, che poi costituiranno il flusso di dati tra l’originale e la copia, che farà sì che i due si comportino in modo identico.

Le origini

La tecnologia dei digital twin affonda le sue origini nel secolo scorso: già nel 1969 la NASA creava sistemi duplicati fisici a terra per replicare quelli nello spazio. Un esempio è il gemello che permise di verificare e simulare le condizioni a bordo dell’Apollo 13.  Nel 2002 Michael Grieves, consulente NASA, espose in maniera ufficiale il concetto di Digital Twin durante una presentazione all’Università del Michigan. Si parlava allora dello sviluppo di un centro di gestione del ciclo di vita di un prodotto e già si citavano tutti gli elementi della tecnologia del digital twin: uno spazio reale e uno spazio virtuale, insieme al flusso di dati e informazioni tra uno e l’altro.

Le fasi di creazione del digital twin

Le fasi per la creazione del digital twin sono tre:

• raccolta dei dati che descrivono le caratteristiche fisiche e le funzionalità dell’oggetto reale;
• modellazione del gemello digitale con l’ausilio di un software di modellazione, applicazioni di realtà aumentata e dispositivi in tre dimensioni che visualizzano e ricreano l’oggetto reale, compreso il comportamento;
• integrazione dei due oggetti: i dati raccolti inizialmente sono integrati con il modello virtuale, così da consentire un monitoraggio in real time dell’oggetto reale, che è dotato di sensori che trasmettono le informazioni a una piattaforma Iot (internet of things, vedi più sotto).

Schematizzando, abbiamo:

• un’entità fisica e reale;
• un gemello digitale nel mondo virtuale;
• i dati relativi all’entità reale;
• un modello informativo che unisce i dati.

Tipologie di digital twin

Esistono diverse tipologie di gemello digitale, a seconda dell’ambito di applicazione e delle quantità di dati da elaborare. Si va quindi da modelli più semplici a tecnologie più complesse e spesso lavorano insieme, in contemporanea.

• Gemelli di componenti, o parti: sono il doppio digitale di un singolo pezzo di un intero sistema, per esempio il motore di un’automobile.
• Gemelli di risorse: con questo termine si intendono due o più componenti che collaborano in un sistema completo; sono la rappresentazione di come i componenti interagiscono e generano dati sulle prestazioni.
• Gemelli di sistema o di unità: un livello più sofisticato di astrazione; mostrano l’interazione di diverse risorse all’interno di un sistema più ampio. Grazie ad essi è possibile decidere i miglioramenti da fare o capire l’efficienza delle prestazioni.
• Gemelli di processo: mostrano il gemello digitale un intero oggetto e forniscono informazioni su come i suoi componenti, risorse e unità lavorano insieme. Un gemello di processo può riprodurre virtualmente il funzionamento di un intero impianto di produzione, con tutti i componenti al suo interno.

Quali tecnologie dietro il gemello digitale?

Abbiamo detto che un digital twin replica digitalmente una risorsa fisica nell’ambiente virtuale, con tutte le sue funzionalità, caratteristiche e comportamento. Si utilizzano sensori intelligenti che raccolgono dati dal prodotto e forniscono una rappresentazione digitale in real time. La rappresentazione può essere valida per tutto il ciclo di vita di una risorsa, dai test iniziali del prodotto al funzionamento fino alla distruzione di esso del mondo reale.

Ovviamente la tecnologia dei gemelli digitali utilizza altre tecnologie. Ecco quali. 

Internet of Things

È una rete collettiva di oggetti fisici (things) connessi ad Internet che hanno sensori, software e tecnologie integrate che facilitano la comunicazione tra dispositivi e cloud. Per via dell’avvento di chip economici e telecomunicazioni a banda larga, si tratta di oggetti molto diversi tra loro: da elettrodomestici a costosi macchinari industriali. Si stima che entro il 2025 saranno 22 miliardi i dispositivi connessi.  I gemelli digitali si affidano ai dati dei sensori Iot per trasmettere i dati dal reale al virtuale.

Intelligenza artificiale

L’intelligenza artificiale, abbreviata spesso anche con la sigla IA, è un campo dell’informatica dedito alla risoluzione di problemi cognitivi con cui in genere ci confrontiamo con le nostre abilità logiche, come l’apprendimento, la risoluzione di problemi e il riconoscimento di pattern e modelli. Il machine learning (ML) è una delle tecniche di intelligenza artificiale che permette di sviluppare algoritmi senza istruzioni, ma basandosi su modelli e inferenza. La digital twin technology utilizza proprio la ML per lavorare la massa di dati preveniente dai sensori e individuare i modelli di dati. Insieme, IA e ML possono ottimizzare le prestazioni, le emissioni, l’efficienza e la manutenzione.

Simulazioni

Che differenza c’è tra i gemelli digitali e le simulazioni? Queste ultime in genere sono usate per la progettazione e per l’ottimizzazione offline; utilizzando gli scenari cosiddetti what if i digital twin invece sono ambienti virtuali complessi con cui si può interagire in tempo reale, studiando eventuali problemi di prestazione e proponendo migliorie.

Vantaggi dell’utilizzo del digital twin

La tecnologia del gemello digitale si applica bene a vari settori aziendali, dal marketing alla produzione, passando per l’assistenza clienti o per il reparto strategico. Un gemello digitale di sistema, per esempio, rende possibile una collaborazione trasversale tra i diversi reparti aziendali per gestire sistemi complessi insieme. Ciò sicuramente ha un effetto prorompente sul sentimento di coinvolgimento di tutti i partecipanti.

L’utilizzo di questa tecnologia ha anche altri vantaggi. Vediamo quali.

• Progettazione virtuale: nell’ambito progettuale, grazie alla modellazione virtuale, è possibile saltare tanti passaggi tipici della creazione di un prototipo reale. Ovviamente ciò aumenta la produttività e ha un effetto sulla qualità dei prodotti.
• Costi ridotti: i test di prodotti (o flussi) nel mondo reale sono molto più onerosi rispetto alla loro controparte digitale. In più evitano danni o problemi legati alla sicurezza, rendendo più sicuro il funzionamento.
• Tempi ridotti: dall’idea all’immissione nel mercato (reale) il passo è breve, grazie al digital twin. Le tempistiche sono ridotte perché sono meno le lunghe iterazioni necessarie ad ottenere un prodotto pronto per la vendita. La verifica di ogni elemento, funzionalità o componente attraverso il gemello digitale permette di immettere in commercio un prodotto di alta qualità velocemente.
• Manutenzione più facile: le potenzialità di un gemello digitale includono anche la manutenzione “predittiva” ossia che già prevede e risolve i problemi che si potrebbero verificare. Gli oggetti originali sono costantemente monitorati tramite sensori, così si ottiene costantemente una grande mole di dati da cui attingere informazioni sul funzionamento (e sul malfunzionamento). Potremmo accorgerci con anticipo che un pezzo del prodotto reale è usurato ed è da cambiare attraverso i dati che ci invia.
• Clienti più soddisfatti: quest’ultimo vantaggio è una conseguenza diretta del miglioramento dei prodotti, che sono sempre più ottimizzati. La customer experience migliora e il numero di resi/reclami cala drasticamente.

Qual è il futuro della tecnologia del gemello digitale?

Al momento si prevede una massiccia diffusione dei modelli digitali, in una varietà di ambiti. Un esempio di applicazione è quello dello sviluppo delle smart city del futuro. L’Unione Europea sta finanziando queste tecnologie per trasformare le città, rendendo più efficiente la gestione dei centri e aumentando la qualità della vita di chi ci abita. Infatti esistono i gemelli digitali locali, o local digital twin, che sono una rappresentazione virtuale degli asset fisici di una città, con tutti i suoi processi e sistemi. Possono essere utilizzati, per esempio, per predire eventi meteo estremi e correre ai ripari per tempo, così come per gestire meglio le risorse pubbliche o aumentare sostenibilità e sicurezza.