Civilizația noastră este fascinată de oglinzi. Alice a lui Lewis Carroll trece de cealaltă parte a oglinzii și pătrunde într-un tărâm în care fizica și societatea sunt guvernate de cu totul alte legi. Mama cea rea din ‘Albă ca Zăpada’ își întreabă oglinjoara cine este cea mai frumoasă din țară. Unele tradiții interzic complet oglinzile, în timp ce alte religii, precum islamul și iudaismul, impun restricții în folosirea lor în anumite locuri și perioade. Tehnologiile moderne au perfecționat multiplicările dincolo de imaginile vizuale, construind reflectări complete ale persoanelor, obiectelor, fenomenelor fizice sau ale celor sociale. Se vorbește astăzi despre gemenii virtuali (sau gemenii digitali) ca despre una dintre cele mai importante colecții de tehnologii ale viitorului apropiat, egală în importanță cu Inteligența Artificială (AI). Vom încerca să descifrăm și să explicăm acest nou val tehnologic în articolul de astăzi al rubricii noastre.
(sursa imaginii: www.networkworld.com/article/965860/what-is-digital-twin-technology-and-why-it-matters.html)
Un gemen virtual (digital) este o reprezentare matematică prin intermediul tehnicii de calcul a unui obiect din viața reală, a unei ființe vii sau a unor organe din corpurile ființelor vii, a unor sisteme ecologice, industriale sau economice. Este o generalizare și extindere a unui concept foarte vechi: modelarea. Oamenii au construit modele încă din zorii civilizației, dar acestea erau modele fizice. Machete ale marilor clădiri și monumente erau construite de arhitecți, dar și îngropate împreună cu faraonii în piramide. Mai târziu, prin secolul 15, registrele de contabilitate reprezentau modele financiare ale tranzacțiilor comercianților. Un exemplu ilustru poate fi găsit și în programul spațial Apollo. Pe 13 aprilie 1970 au fost rostite cuvintele (deseori citate greșit) „Houston, we’ve had a problem”, deoarece cei trei astronauți de pe Apollo 13 au raportat că un rezervor de oxigen s-a defectat, dezactivând unele dintre sistemele critice ale navei spațiale. Pentru a-i ajuta să revină pe Pământ în siguranță, inginerii NASA au folosit simulatoarele pe care fusese antrenat echipajul pentru a elabora noi proceduri de manevră. Simulatoarele erau în mare parte modele fizice, deoarece computerizarea era limitată. Dar a fost posibil să se utilizeze datele transmise de la nava spațială avariată pentru a identifica problemele și, astfel, a explora modalități de a le evita. Introducerea tehnicilor de calcul a permis în ultimele decenii ale secolului 20 construirea de modele virtuale bazate pe domenii ale matematicilor aplicate și rulate de calculatoarele numerice. De atunci încoace s-au dezvoltat tehnologiile senzorilor și ale comunicațiilor obiectelor. Termenii ‘simulare’ și ‘gemeni virtuali’ nu sunt identici. Gemenii virtuali de astăzi reprezintă nu doar modele care oglindesc imaginile, formele și structurile obiectelor modelate, dar ele sunt și actualizate în timp real pentru a simula cât mai perfect funcționalitatea și stările reale. De aici până la predicția stărilor viitoare, mai este doar un pas, și AI poate intra în acțiune.
(sursa imaginii: www.economist.com/science-and-technology/2024/08/28/digital-twins-are-speeding-up-manufacturing)
Una dintre aplicațiile cele mai spectaculoase, deja pusă în practică, aparține echipei Oracle Red Bull, care întreține două mașini de curse în circuitul Formula 1. 1 500 de angajați participă la fabricarea, întreținerea și exploatarea celor două modele care sunt conduse de așii echipei (Max Verstappen a câștigat trei campionate mondiale din 2021 până astăzi). Pe fiecare dintre cele două mașini sunt instalați peste 250 de senzori care transmit în timpul curselor toate informațiile despre funcționarea mașinii (performanțele motorului, temperatura cauciucurilor, starea amortizoarelor, dimensiunile componentelor mecanice măsurate de scanere cu laser etc.) gemenilor virtuali ai automobilelor de pe pistă. Informațiile primite sunt folosite pentru a preveni problemele potențiale și a recomanda sutele de modificări și ajustări aduse automobilelor de-a lungul unui sezon. Red Bull se află în avangarda industriei automobilului din acest punct de vedere, dar alte firme producătoare o urmează, atât din clasa automobilelor de curse, cât și din categoriile automobilelor în producție de masă.
(sursa imaginii: www.mckinsey.com/featured-insights/mckinsey-explainers/what-is-digital-twin-technology)
O altă industrie care beneficiază de progresele modelării și ale gemenilor virtuali este industria aeronautică. Pentru început, a fost dezvoltat software specializat pentru domenii precum analiza structurală și dinamica fluidelor, care pot fi folosite pentru a explora aerodinamica fără a fi nevoie de tunelele de vânt reale, foarte scumpe și greu de construit. În același timp, grafica computerizată avansată permite afișarea rezultatelor care permit inginerilor să vizualizeze componente critice precum aripile aeronavelor. Primele aplicații sunt militare. Toate cele 76 de bombardiere gigant B-52 ale Statelor Unite au nevoie ca motoarele să fie înlocuite. Aceste avioane, datând din perioada Războiului Rece, au fiecare are opt motoare cu reacție fixate sub aripi. Funcționarea lor este deja bine înțeleasă datorită faptului că întregul proces a fost explorat pe larg folosind un geamăn digital. Atunci când programul de înlocuire a motorului a fost scos la licitație, Forțele Aeriene ale SUA au introdus modelele digitale ca o cerință. Aceste motoare vor fi fabricate la o fabrică Rolls-Royce din Indianapolis, care a câștigat licitația. Rolls-Royce, împreună cu cei doi mari rivali americani, General Electric și Pratt & Whitney, care au concurat și ei pentru contract, au fost printre primii care au început să folosească gemeni digitali pentru a-și monitoriza performanțele motoarelor. Aplicațiile se extind dincolo de domeniul militar, în aviația civilă. Imaginați-vă un zbor de la Singapore la Los Angeles. La câteva ore după plecare, monitorizarea a detectat o potențială problemă a motorului și a sugerat o cauză probabilă. Inginerii au colaborat cu compania aeriană și piloții, ajungând la concluzia că zborul poate continua în siguranță. Între timp, o echipă de tehnicieni a fost convocată, un motor și piese de schimb au fost încărcate într-un avion. Până la aterizarea zborului, echipa era pregătită să facă reparații și să întoarcă aeronava în aer cât mai repede posibil. Detectarea problemelor înainte ca acestea să se manifeste are beneficii atât de siguranță, cât și financiare, făcând întreținerea mai eficientă. Liniile aeriene obișnuiau să revizuiască motoarele avioanelor la intervale fixe, chiar dacă unele călătorii provoacă mai multă uzură decât altele. Avioanele care zboară dintr-un aeroport dintr-o regiune deșertică, cum ar fi Orientul Mijlociu, pot ingera particule de praf, care abrazează mai repede componentele. Anumite zboruri sunt mai încărcate, ceea ce adaugă stres. Unii piloți folosesc accelerația mai tare decât alții. Deoarece geamănul virtual ia în considerare toate aceste informații, programele de întreținere pot fi adaptate la modul în care este folosit fiecare motor. Timpii de exploatare în aer cresc cu până la 30%.
(sursa imaginii: www.economist.com/science-and-technology/2024/08/28/digital-twins-are-enabling-scientific-innovation [Daniel Lievano])
Aplicațiile medicale sunt alt domeniu în care eficiența gemenilor virtuali a fost experimentată cu succes la nivele diferite. Au fost create modele digitale pentru organele principale ale corpului omenesc, începând de la simularea dezvoltării placentei pentru a preveni complicațiile în timpul sarcinii și pericolele pentru mame și copii la naștere, trecând prin plămâni, rinichi și până la organul cel mai complex, a cărui simulare este legată de domenii multiple nu numai în medicină ci și în multe alte discipline – creierul omenesc. Organul care i-a atras în mod special pe medici și pe ingineri este însă inima. Ea este, în esență, un sistem de valve și camere care se contractă și se relaxează de până la o sută de ori pe minut pentru a trimite sângele în tot corpul. Două inimi nu funcționează însă la fel. Chiar dacă inimile urmează aceleași legi ale fizicii, fiecare face acest lucru în moduri diferite. Orice, de la dietă și stilul de viață până la vârstă, poate modifică modul în care țesutul cardiac se contractă ca răspuns la semnalele electrice, precum și cât de lin curge sângele prin camerele inimii. Înțelegerea impactului unor astfel de schimbări asupra sănătății corporale este critică pentru a ajuta pacienții să se vindece de bolile de inimă. Un geamăn digital ar putea ajuta. La Universitatea Queen Mary din Londra, echipa doctorului Caroline Roney folosește modele virtuale pentru a găsi modalități mai bune de tratare a fibrilației atriale. Acționată de semnale electrice neregulate din partea superioară a inimii, fibrilația atrială este cea mai comună formă de aritmie cardiacă, afectând aproximativ 1,4 milioane de oameni doar în Marea Britanie. Dacă nu este tratată, poate duce la accident vascular cerebral sau insuficiență cardiacă. În prezent, acel tratament implică adesea ablația: încălzirea sau înghețarea unor regiuni mici bolnave ale inimii pentru a forma mici cicatrici care blochează semnalele electrice neregulate. Pacienții răspund la ablație în moduri foarte diferite, în mare parte , spune dr. Roney, din cauza diferențelor în țesutul cardiac. Prin urmare, ea lucrează pentru a personaliza tratamentul, folosind gemeni digitali pentru a recrea particularitățile individuale ale inimilor și pentru a prezice modul în care vor reacționa la ablație. Este doar un exemplu din multe. Gemenii virtuali sunt folosiți în domenii diverse pentru alegerea tratamentelor optime în afecțiunile inimii, ficatului, plămânilor , rinichilor, vezicii biliare. În combinație cu AI sunt elaborate prognoze privind posibilele afecțiuni viitoare. Tehnologia senzorilor miniaturizați până la nivelul micro și nano se află și ea în dezvoltare explozivă și nu este departe ziua când dosarele medicale ale pacienților vor fi însoțite, dacă nu înlocuite, de gemenii digitali ai acestora.
(sursa imaginii: https://sloanreview.mit.edu/article/unlocking-the-potential-of-digital-twins-in-supply-chains/)
‘The sky is the limit’ este o expresie care se potrivește foarte bine și domeniului gemenilor virtuali (digitali). Uneori chiar, frontierele sunt dincolo de ceruri, cum este cazul telescopului spațial James Webb, pentru a cărui întreținere și exploatare este folosită aceeași tehnologie. Un alt exemplu este marele accelerator de particule (Hadron Collider) instalat la centrul de cercetare CERN de la Geneva, acolo unde, la o altă frontieră a cunoașterii, sunt investigate particulele componente ale materiei. Institutele meteorologice, firme care administrează flote de vehicule precum Uber, instituții financiare precum banca Goldman Sachs, toate au introdus gemeni digitali care le permit să-și optimizeze operațiile curente și să prezică evoluțiile viitoare. Combinația dintre gemenii digitali și Inteligența Artificială accelerează procesarea și amplifică puterea acestor sisteme. Desigur, există și pericole. Toate aceste sisteme sunt în esență programe de calculatoare scrise de oameni sau de mașini create de oameni. Calculatoarele pot greși, în mare măsură datorită greșelilor celor care le-au creat și programat. Ele pot fi și victime ale unor atacuri de securitate care le pot paraliza sau deturna funcționalitatea. Aceasta este adevărat, însă, pentru orice tehnologie și pentru orice salt științific. Magia creată prin știință trebuie permanent păstrată sub control.
(Articolul a apărut iniţial în revista culturală ‘Literatura de Azi’ – http://literaturadeazi.ro/)