Análisis en profundidad

Gemelo digital: qué es, cómo funciona y cuáles son los beneficios

A medida que nuestros recursos y sistemas se vuelven más complicados, la forma de desarrollarlos, gestionarlos y mantenerlos también debe evolucionar. Necesitamos herramientas para hacer frente a las nuevas realidades de los productos impulsados por el software y las innovaciones digitales. Y ahí es donde entra en juego el Gemelo Digital.

29 Sep 2022

Redacción InnovaciónDigital360

Gemelo digital

Réplicas virtuales de productos físicos que proporcionan una imagen instantánea del estado del producto en tiempo real, un gemelo digital permite -gracias a los modelos predictivos desarrollados por algoritmos de Inteligencia Artificial (IA)- predecir el rendimiento futuro del activo físico y experimentar mejoras sin tener que probarlas en el propio producto.

El potencial y los campos de aplicación son numerosos. Hasta la fecha, los gemelos digitales se utilizan principalmente en la industria, pero la tecnología se está imponiendo también en la sanidad y el comercio minorista. Además, algunas empresas ya están trabajando en proyectos para la creación de gemelos digitales de las personas, lo que permitiría, en el futuro, reunirse virtualmente con un colega lejano o incluso hablar con gemelos virtuales de seres queridos fallecidos y versiones presentes o futuras de uno mismo.

Qué es un gemelo digital: significado del término

Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto o sistema, conectado a él durante todo su ciclo de vida. El Gemelo Digital se actualiza en tiempo real gracias a los datos recogidos por los sensores conectados al activo físico, y utiliza programas de simulación, aprendizaje automático y razonamiento para proporcionar información útil sobre el activo y desarrollar modelos predictivos del rendimiento futuro del objeto y sus reacciones ante determinadas condiciones.

En términos más sencillos, el gemelo digital es un modelo virtual muy complejo que es una réplica exacta de su homólogo físico. Puede ser cualquier cosa, desde un coche, una máquina industrial, un avión, un puente, un edificio, etc.

Aunque la terminología, como veremos, ha evolucionado con el tiempo, el concepto básico ha permanecido igual. Se basa en la idea de que una construcción de información digital relativa a un sistema físico puede crearse como una entidad por derecho propio.

Historia y evolución del gemelo digital

El concepto básico no es nada nuevo, como explica en un ensayo Michael Grieves, investigador y profesor de la Universidad de Michigan, a quien se atribuye la invención del gemelo digital. «Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el espacio virtual en el que se creó este sistema solo existía en la mente de las personas. Solo en el último cuarto del siglo XX pudo existir este espacio virtual en el espacio digital de los ordenadores», escribe.

Gracias al avance de las tecnologías digitales, el Gemelo Digital permite una gestión más eficiente del sistema, ahorrando costes y tiempo, desde la fase de diseño.

Los primeros pasos hacia el gemelo digital: el modelo del espacio reflejado

El concepto fue expresado por primera vez por Grieves en 2002, en una presentación para una propuesta de centro de gestión del ciclo de vida del producto (PLM). Allí, Grieves describió por primera vez los elementos de lo que más tarde se llamaría el Gemelo Digital: un espacio real, un espacio virtual y la vinculación del flujo de datos e información entre el espacio real y el espacio virtual.

Este PLM no sería un objeto estático, sino que seguiría todo el ciclo de vida del sistema real, desde la creación, pasando por la realización, hasta el uso y finalmente la eliminación.

El sistema virtual era, pues, un espejo del real, por lo que se denominó «Modelo de Espacios Reflejados» y, más tarde, «Modelo de Reflejo de Información».

Cómo llegamos al término Gemelo Digital

En algunas publicaciones posteriores también se hace referencia al concepto propuesto por Grieves con el término «Modelo de reflejo de la información». Fue en 2011, con el ensayo «Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management», cuando Grieves habló por primera vez de Digital Twin.

El término es utilizado por el investigador para describir «un conjunto de construcciones de información virtual que describen completamente un artefacto físico potencial o real, desde el nivel micro atómico hasta el nivel macro geométrico».

Cómo está cambiando el diseño de sistemas gracias al gemelo digital

Antes había que crear el sistema físicamente, al principio en forma de diseño y después como prototipo.

La construcción de un modelo físico en 3D permitió comprender mejor el propio sistema y su comportamiento. Sin embargo, si se encontraban problemas, fallos de funcionamiento y riesgos de colisión entre los componentes (cuando el sistema implicaba el movimiento de algunos de ellos), era necesario volver al modelo 2D, modificarlo y comenzar el ciclo de nuevo.

Un proceso muy largo y costoso. El avance de las tecnologías digitales ha simplificado el proceso, permitiendo la creación de modelos virtuales en 3D. Estos permiten realizar, virtualmente, todas las evaluaciones para las que era necesario construir un prototipo, ahorrando así tiempo y recursos.

Tecnología de gemelos digitales, ¿cómo funciona un gemelo digital?

El gemelo digital de un producto es una fuente de información inestimable para ingenieros y operarios. Información que se obtiene mediante la combinación de varias tecnologías, desde la nube hasta el Internet de las Cosas y la Inteligencia Artificial.

El gemelo digital, de hecho, está conectado al producto físico a través de varios sensores colocados en zonas vitales para la funcionalidad del objeto. Estos sensores producen datos sobre diversos aspectos del rendimiento del objeto físico, desde la temperatura, hasta la energía utilizada/producida, pasando por las condiciones meteorológicas, etc.

El análisis de estos datos, combinado con otras fuentes de información, permite comprender no solo el comportamiento del producto, sino también predecir cómo se comportará en el futuro.

Este flujo continuo de información permite al gemelo digital realizar simulaciones, detectar y analizar cualquier problema de rendimiento del producto e investigar posibles mejoras.

El flujo de datos entre el producto físico y su gemelo virtual funciona en dos sentidos: el gemelo digital recibe los datos de los sensores con los que está equipado el producto físico y, a continuación, devuelve los conocimientos.

Las ventajas del gemelo digital en la construcción

Utilizados inicialmente para la gestión de activos individuales, los gemelos digitales se utilizan ahora también para la gestión de sistemas complejos, como los edificios inteligentes. No se trata, por tanto, de una réplica virtual del edificio, sino de un modelo complejo de cómo las personas y los procesos interactúan con los entornos.

De hecho, el gemelo digital de un edificio inteligente reúne sistemas de TI y OT, sensores de IoT y datos de terceros. Información que luego se contextualiza con información sobre los procesos y las personas, dando como resultado una réplica digital dinámica.

Los beneficios son numerosos: El gemelo digital sigue todos los cambios en el edificio real y se ajusta dinámicamente en caso de que se registren diferencias de rendimiento. Así, durante todo el ciclo de vida del edificio, las predicciones de rendimiento generadas con el gemelo virtual proporcionan una base precisa para tomar decisiones bien informadas.

Esto permite una gestión eficaz de los distintos sistemas del edificio (como los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado), así como analizar la respuesta dinámica del edificio a los cambios en la ocupación o el suministro de energía.

Además, el análisis de datos permite planificar el mantenimiento predictivo y mejorar así el edificio y el confort de sus ocupantes.

Gemelos digitales, ejemplos y aplicaciones en el IoT industrial y la Industria 4.0

Con el desarrollo de las tecnologías de la Industria 4.0, cada vez más empresas de fabricación recurren a los gemelos digitales para optimizar los procesos y los productos.

El gemelo digital de una máquina, por ejemplo, puede proporcionar información muy valiosa sobre el rendimiento y la salud de la misma. Esto permite a la empresa detectar fallos de funcionamiento, optimizar el rendimiento de las máquinas y programar el mantenimiento necesario.

Por lo tanto, Digital Twin permite el mantenimiento predictivo, evitando así las paradas de producción por fallos de las máquinas. Además, mediante el análisis de los datos de las máquinas de una planta, también es posible supervisar el consumo de energía y optimizar los procesos que derrochan energía.

Asimismo, el gemelo digital de un producto es una fuente de información inestimable para el fabricante. Al poder seguir el rendimiento de un producto a lo largo de su ciclo de vida, el fabricante puede utilizar los datos para mejorar el propio producto y ofrecer a los clientes servicios posventa adaptados a sus necesidades.

Desde el gemelo digital del activo individual hasta la réplica virtual de la planta

La tecnología de los gemelos digitales también ha evolucionado. Cuando las empresas empezaron a adoptar los gemelos digitales, fueron apreciados por su capacidad para controlar, simular y optimizar los datos de los diferentes dispositivos.

Recientemente, las innovaciones en la Inteligencia Artificial y el aumento de su adopción han permitido ampliar los modelos para crear redes neuronales con múltiples capas.

Las empresas están empezando a conectar redes masivas de gemelos inteligentes, vinculando muchos Gemelos Digitales entre sí, para crear modelos virtuales de fábricas enteras, ciclos de vida de productos, cadenas de suministro, puertos y ciudades.

Ya en 2019, Gartner señaló esta tendencia. En una encuesta realizada sobre la adopción de gemelos digitales por parte de las empresas, la consultora de estrategia había descubierto que un factor clave para que las empresas implementen el IoT es que sus gemelos digitales sirvan a diferentes grupos dentro y fuera de la empresa.

Por ejemplo, el grupo al que sirve un gemelo digital de un coche conectado puede incluir al fabricante, a un proveedor de servicios al cliente y a la compañía de seguros, cada uno con una necesidad de datos diferente.

Tesla y el uso de gemelos digitales en la industria del automóvil

Tesla es un ejemplo de empresa que ha recurrido a la tecnología Digital Twin para mejorar sus productos y ofrecer un mejor servicio al cliente.

De hecho, la empresa con sede en Palo Alto construye un gemelo digital para cada coche que produce. Los sensores de los coches transmiten datos al gemelo digital en la fábrica, datos que luego son analizados por algoritmos de inteligencia artificial.

Este proceso de desarrollo de software basado en datos permite una asignación más eficiente de los recursos y una experiencia de usuario mucho mejor para el propietario del vehículo.

La empresa puede controlar el rendimiento de los vehículos, comprobar si funcionan correctamente o si necesitan mantenimiento. A menudo, los problemas también pueden resolverse a distancia, por ejemplo, ajustando el sistema hidráulico para compensar un portazo.

Digital Twin, algunos casos de aplicación en las empresas

Dadas todas las ventajas descritas hasta ahora, los gemelos digitales se están adoptando en varios sectores: desde la fabricación hasta la logística, pasando por la energía, la sanidad y el comercio minorista. Y hay ejemplos en Italia.

Fincantieri, por ejemplo, fue una de las empresas ganadoras del segundo concurso del Centro de Competencia Smact con un proyecto destinado a crear un gemelo digital para optimizar y reducir los costes del proceso de construcción naval.

Los gemelos digitales también pueden ayudar a agilizar los procesos en el sector del petróleo y el gas. Otro ejemplo proviene de los proyectos ganadores de la convocatoria Smact, de Saras Ricerche e Tecnologie (sede de Cagliari).

El proyecto de la empresa, que desarrolla soluciones para mejorar el rendimiento industrial, tiene como objetivo crear un sistema prototipo basado en Digital Twin para la flota de bombas de la refinería de Sarroch.

Gracias a los dispositivos inalámbricos del IoT presentes, la empresa podrá recoger una gran cantidad de datos, que utilizará para permitir el mantenimiento predictivo.

El potencial del Gemelo Digital en el comercio minorista

Precisamente por su capacidad de mejorar la experiencia del cliente, los gemelos digitales se están extendiendo también en el comercio minorista.

De hecho, el gemelo digital permite a los minoristas modelar los activos, los depósitos, la logística y los flujos de materiales, las ubicaciones de los inventarios, las personas y los procesos. Los datos de compra de los clientes, por ejemplo, pueden ayudar a las empresas a hacer mejores predicciones sobre el comportamiento de los consumidores y ayudarles a desarrollar una estrategia adaptada a cada persona.

La personalización de la experiencia de venta es precisamente una de las tendencias que revolucionarán la logística en los próximos años, según un reciente análisis de ABB. Pero ya son muchas las empresas que han decidido adoptar los gemelos digitales en 2020, en respuesta a la pandemia.

Sobre este tema, la empresa Advanced Supply Chain realizó un interesante estudio en el que participaron unos 200 profesionales de alto nivel del sector en todo el mundo. Los resultados mostraron que el 82% de las empresas han adoptado la tecnología del gemelo digital para hacer frente a las dificultades y los cambios introducidos por la pandemia.

Uso de gemelos digitales para una asistencia sanitaria «a medida”

El modelo de gemelos digitales también tiene el potencial de revolucionar la asistencia sanitaria y permitir terapias adaptadas a las características y necesidades de cada paciente.

La creación de una réplica digital de un paciente, con toda su información -ADN, patologías y predisposiciones particulares, antecedentes familiares, etc.- permitirá en el futuro a los especialistas sanitarios elegir el tratamiento más adecuado para cada paciente. – permitirá a los especialistas sanitarios elegir la mejor terapia para el individuo en el futuro.

La creación de un gemelo digital de una persona también permitiría a los profesionales sanitarios tener una imagen completa del paciente, independientemente del centro y del personal que utilicen.

El modelo de gemelo digital en la atención de Covid-19

Aunque todavía no hemos llegado a este punto, las aplicaciones del modelo del Gemelo Digital en la sanidad ya son posibles. Un ejemplo es el proyecto de Dell Technologies en colaboración con la Fundación i2b2 tranSMART -una organización de investigación de código abierto sin ánimo de lucro- para el tratamiento domiciliario de los pacientes con Covid de larga duración.

El proyecto dará lugar a la recopilación de millones de datos de pacientes de todo el mundo, que luego se pondrán a disposición de los investigadores (de forma anónima).

Estos podrán crear modelos digitales del paciente y en el futuro los Gemelos Digitales podrán actualizarse con datos en tiempo real de las máquinas conectadas al paciente (como respiradores y monitores cardíacos).

Esto permitirá probar diferentes tipos de tratamiento en el gemelo digital del paciente de forma totalmente segura

Por Michelle Crisantemos

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