Gemelo Digital (Digital Twin) y los modelos predictivos

Introducción

Si preguntamos a un Diseñador Industrial sobre la manera de plasmar la primera idea de un producto, estoy casi seguro de que la respuesta pasaría por hacer un boceto con papel y lápiz, usar una tableta gráfica o diseñando en 3D a través de algún software informático.

De cualquier forma, aquello que estamos pensando sobre el objeto y que moldeamos es una representación de la idea, un primer paso que conecta lo que tenemos en mente con la realidad.

Imagina ahora que vamos un paso más allá y queremos probar cómo funciona nuestro producto o el diseño que hemos bocetado. Pensaríamos en crear un prototipo, un molde, un objeto con materiales cercanos a los que usaremos finalmente. Nos acercamos entonces a un concepto muy importante: la simulación. No es necesario elaborar el objeto físico.

A día de hoy, al igual que podemos crear diseños 3D de objetos o sistemas completos, también podemos añadir atributos y así probar situaciones reales donde diagnosticaremos su comportamiento. Si unimos ambos términos, tendremos como resultado prototipos digitales o virtuales de objetos existentes.

Pongamos como ejemplo los simuladores de carreras de Fórmula Uno. Quizás hayas podido ver a pilotos profesionales usar lo que puede parecer un videojuego. Sin embargo, esto es algo que se entrena habitualmente y no tienes que estar subido a un monoplaza real.

Decenas de condicionantes internos y externos, como la pista, los cambios meteorológicos, el propio coche o los distintos reglajes que estemos probando, permiten que la experiencia sea totalmente diferente. Este simulador es un modelo de las múltiples realidades que nos podemos encontrar si de verdad decidiéramos ponernos al volante de un vehículo de estas características. Actualmente, un piloto profesional de Fórmula Uno dedica horas cada semana al simulador, puesto que se ha convertido en una herramienta esencial en los entrenamientos de este deporte.

Nuestra época está claramente marcada por el acceso a la información. Si seguimos con el ejemplo expuesto antes, tenemos por un lado el simulador, por otro lado, los datos (condiciones) que somos capaces de aplicar, y por último aquellos otros datos que somos obtenemos como resultado.

Aunque parezca una aplicación sencilla dada su semejanza a la descripción de un videojuego, acabamos de experimentar lo que podemos llegar a hacer con una “copia” digitalizada de un coche en una carrera real. Es decir, hemos recopilado una información, se ha creado un modelo digital lo más parecido posible a la realidad, y se han obtenido unos datos como resultado que posteriormente podremos usar.

Estos datos se manejan a través de tecnologías como la IA, IoT o Big Data, y hacen que un piloto pueda experimentar numerosas condiciones distintas en un mismo circuito. De esta forma, estará mejor preparado el día de la carrera.

Qué es un Gemelo Digital o Digital Twin

Para acercarnos a su comprensión, podemos comenzar tratando el término tal y como se ha descrito en la introducción. Un videojuego es un buen acercamiento a lo que nos referimos con Gemelo Digital. Una realidad digitalizada que se basa en datos, los cuales una vez aplicados nos aportan nueva información con la que desarrollar o mejorar el modelo en que se inspiran. Sin embargo, no podemos quedarnos ahí. El concepto va más allá y, además, es una tendencia que manifiesta un rápido aumento de su evolución.

El término Gemelo Digital (GD) proviene de la expresión en inglés Digital Twin (DT) y tiene su origen hace décadas en los intentos de la NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio, por sus siglas en inglés) por realizar simulaciones de los comportamientos de sus naves y equipamientos. Para ellos, asegurar la viabilidad de las misiones y la integridad física de los astronautas era de vital importancia, de forma que simulaban escenarios para evitar problemas posteriores.

Un gemelo digital es un modelo o representación muy precisa de una realidad física, ya sea un objeto, sistema o proceso, el cual nos permite predecir su comportamiento en un espacio y tiempo determinado. La incorporación de sensores que recogen datos en tiempo real y añadir tecnologías como Big Data, Machine Learning, Cloud Computing o IA, nos permiten crear una simulación digital capaz de pensar y actuar en relación a los acontecimientos. Con este modelo digitalizado de los elementos físicos reales, podemos prevenir errores, minimizar riesgos, cambiar parámetros y predecir los comportamientos generales o de sus distintas partes. Todo ello con un coste económico y temporal muy inferior al que conllevaría el uso de los clásicos prototipos físicos.

Los Gemelos Digitales suponen hoy día la búsqueda de soluciones a través de la experimentación con las representaciones digitales y los datos. Con ello, podemos fijar nuestro objetivo en la consolidación de esta herramienta como mejora para la eficiencia en la toma de decisiones.

Tipos de Gemelos Digitales

En cuanto a los diferentes tipos de Gemelos Digitales, podemos basarnos en varios enfoques. Los expertos en tecnologías disruptivas y la bibliografía, que cada vez es más extensa en el tema, realiza clasificaciones atendiendo a conceptos como los mecanismos de simulación utilizados o el tipo de proceso modelizado. Sin embargo, nuestra clasificación y más extendida es aquella que se establece en función de los casos de uso:

• Gemelo Digital del producto: Son aquellos modelos digitales utilizados antes de realizar la fabricación de un producto. Con ellos, se muestra cómo funcionan los diferentes elementos que componen el producto en el mundo físico. Se pueden probar materiales o distintos diseños de sus partes, así como simular esfuerzos o situaciones de estrés que, con un coste inferior al que se dedicaría en un prototipo físico, nos pueden indicar la calidad final del producto.

• Gemelo Digital de la producción: Se basan en el ámbito industrial para recrear el funcionamiento de un proceso de fabricación en una planta de producción. La mejora de los procesos conlleva actualmente el almacenamiento y tratamiento de cantidades ingentes de datos, los cuales después deben analizarse para realizar la toma de decisiones. La simulación de un proceso nos facilita la gestión de estos datos y la formulación de soluciones que mejoran la productividad, la calidad y la eficiencia del proceso. Se trata de evitar errores y prevenir acontecimientos antes de iniciar el proceso. Con el uso de los Gemelos Digitales, las empresas pueden, por ejemplo, ahorrar tiempos de inactividad o predecir cuándo se debe realizar un mantenimiento preventivo.

• Gemelo Digital del rendimiento: Utilizan datos pasados y capturan otros nuevos, disponibles a través del funcionamiento y de la configuración de diferentes situaciones. Es más complejo que los otros dos tipos, puesto que el Gemelo Digital del rendimiento necesita habilitarse una vez creados los dos anteriores mencionados. A esto se le llama Gemelo Digital de bucle cerrado. Toda la información se usa para analizar, optimizar decisiones y planificar tanto costes, como tiempos y esfuerzos futuros. Todos los procesos conectados y actualizados en tiempo real nos permiten gestionar el ciclo de vida completo del producto y llevar un mantenimiento más eficiente de la planta, los sistemas que la integran y las máquinas.

Beneficios de los Gemelos Digitales

Por ahora hemos abordado la definición del término y los tipos de Gemelos Digitales, pero quizás no logra ser suficiente a la hora de explicar lo extensa que puede llegar a ser la dimensión de esta tecnología, la cual podemos considerar claramente disruptiva y emergente.

Por un lado, si tomamos estas réplicas digitales como herramientas que pueden romper con normas y métodos establecidos hasta el momento, podremos afirmar que los Gemelos Digitales son disruptivos. Y como segundo adjetivo, entendemos que, aunque el concepto no tiene su origen en la actualidad, se trata de una tecnología que progresa a pasos agigantados y comienza a ocupar una posición muy importante en diversos ámbitos.

Hasta el momento, los sectores de aplicación son tan numerosos como relevantes. La aeronáutica, la automoción, la industria, la energía o la sanidad son algunos ejemplos de ello. Sin embargo, las dificultades que por ahora nos plantean los Gemelos Digitales a la hora de su implementación, hacen que las principales ventajas se hayan logrado en áreas de diseño de productos, mantenimientos preventivos, servicios y planificación de recursos.

Como hemos mencionado, la lista de ventajas podría ser muy extensa, pero tratemos de resumir algunas de las más importantes para aportar mayor visión al tema que estamos tratando:

• Análisis de productos y especificaciones de un diseño: Con el Gemelo Digital somos capaces de hacer un prototipo sin necesidad de fabricar. Por tanto, el coste económico y la inversión de los tiempos se reduce considerablemente. Un GD es mucho más sostenible que su idéntico real.

• Observación de fallos: Tanto en la concepción de productos como de sistemas más complejos, el funcionamiento se puede simular y medir mucho más que en un entorno de prototipos tradicionales. El resultado de este punto es que podemos prevenir errores, minimizar riesgos y ahorrar tiempos de inactividad.

• Ensayo de modelos productivos: Cuando hablamos de grandes procesos en plantas de producción, nos referimos a la forma en que los sistemas, las maquinarias y las personas se relacionan para crear un modelo productivo, es decir, una forma de realizar las tareas con el objetivo de crear un bien o servicio. Los GD nos pueden ayudar a mejorar los trabajos preventivos y a probar diferentes modelos de producción sin tener que llegar a implantarlos.

• Unificación para análisis de datos: Tal y como hemos mencionado anteriormente en este texto, los GD se apoyan en otras tecnologías como Cloud Computing, Machine Learning o Big Data, de manera que su unión nos ofrece como resultado una herramienta capaz de unificar los datos y gestionar los recursos de forma instantánea. Pensemos que, a través de un GD, podemos visualizar los datos actualizados al momento y realizar pruebas que nos faciliten la toma de decisiones posteriores.

• Incremento de procesos autónomos: Gracias a los GD seremos capaces de revisar acontecimientos pasados (con datos que ya han ocurrido) y examinar escenarios que tienen lugar en el presente. Así pueden generar soluciones más eficientes, mejorando la calidad gracias a las múltiples variables detectadas y las predicciones que han sido calculadas.

Aplicaciones reales de los Gemelos Digitales

Los beneficios relacionados con los Gemelos Digitales que se han comentado en líneas anteriores pueden considerarse muy relevantes. Pero también es cierto que, sin tener un contacto más directo con el término, podemos llegar a verlo más como un relato de ciencia ficción que como una realidad de nuestros días. Es por ello que visualizar algunos ejemplos reales de aplicaciones de los Gemelos Digitales nos puede acercar aún más a su entendimiento.

Los sectores que se refieren al diseño de productos o al funcionamiento de los procesos en la industria son algunos de los casos de mayor uso. Podemos digitalizar y simular pequeños diseños de productos simples, máquinas complejas y hasta plantas enteras. Otro ámbito de aplicación donde los GD realmente importante es el mantenimiento, es decir, recabar y analizar datos relacionados con los rendimientos para anticipar averías, fallos por desgaste, reemplazos, etc.

El mundo de la salud es capaz de beneficiarse de las características de los GD, por ejemplo, modelando un órgano para visualizar de forma previa su estado antes de una operación, o simplemente creando una simulación digital del impacto de un cambio en el sistema del hospital. Las ciudades y el urbanismo también pueden usar la tecnología de los GD captando información del entorno para optimizar la sostenibilidad. Y de esta forma, incontables campos pueden hacer uso de la tecnología del Gemelo Digital como modelos predictivos y de mejora de la eficiencia.

Barreras tecnológicas de los Gemelos Digitales

A pesar de que los Gemelos Digitales suponen un avanzado e innovador camino en cuanto a las tecnologías digitales, las dificultades que presenta su implantación deben considerarse como punto importante de debate.

La digitalización de la industria actual es compleja, ya que contamos con una gran cantidad procesos y dispositivos que no pueden relacionarse entre sí. Este constituye uno de los grandes problemas del sector de la Automatización Industrial, donde el funcionamiento de una planta de producción puede verse limitada debido a la elección de una arquitectura concreta, un bus de campo o un protocolo de comunicaciones propietario de un área específica. Para que podamos verlo de manera más clara, digamos que la industria en la actualidad tiene problemas para entenderse entre los sistemas que la componen. La tarea fundamental en el futuro pasa por unificar sistemas y comunicaciones para que todo sea más legible.

De igual forma, los conceptos ligados a los Gemelos Digitales también añaden complejidad a su desarrollo. La realidad aumentada y la IA (Inteligencia Artificial) son tecnologías que complementan y ayudan a impulsar las aplicaciones, por lo que será esencial tener formación en estas técnicas. Los cursos de OpenWebinars como Inteligencia Artificial: Qué es y su aplicación en el sector IT o el de Introducción a la Inteligencia Artificial te ofrecen una base de inicio para tener un primer contacto con un mundo tan importante como es la IA.

Al igual que existe esta barrera principal, tampoco resulta fácil para los sistemas de hoy la gestión y almacenamiento de los grandes volúmenes de datos que se requieren para crear Gemelos Digitales. Como ya se ha explicado, estos GD recogen datos para analizarlos, junto a los que se han guardado de eventos pasados, y a partir de ellos formular mejores soluciones. Si a este punto le sumamos la variación de, no solo generar una solución eficiente, sino evaluar múltiples opciones alternativas para cada problema, el escenario se complica exponencialmente.

Conclusiones

Los Gemelos Digitales son capaces de construir una unión de la realidad y el mundo virtual. En una época donde ya es una evidencia la importancia de la eficiencia y la productividad, esta tecnología emergente parece haber llegado para quedarse. En el futuro, estará presente en nuestras actividades cotidianas, puesto que los entornos virtuales cada vez ganan más protagonismo, y con ello veremos en todos los ámbitos de aplicación una reducción de costes de producción, mejoras en tiempos de ejecución y disminución de riesgos en los trabajos.