Digital Twin come integrazione tra mondo reale e virtuale

Il Digital Twin, o Gemello Digitale, rappresenta una fusione tra il mondo virtuale e la realtà fisica, aprendo la porta a una vasta gamma di applicazioni e vantaggi. In questo articolo partiremo con una panoramica generale del termine e della situazione di mercato attuale per poi analizzare le tipologie di Digital Twin e concludere con una serie di sfide e vantaggi derivanti dall’adozione di un gemello digitale.

Cosa significa e come funziona un Digital Twin?

Un Digital Twin, o gemello digitale, è una rappresentazione virtuale di un oggetto o di un sistema, collegato ad esso per tutto il ciclo di vita. – Innovation Post. Questa rappresentazione digitale è basata su dati in tempo reale e modelli che riflettono fedelmente l’entità fisica sottostante, consentendo precise analisi, monitoraggi e simulazioni.

Ma da dove nasce il termine Digital Twin?

Il concetto di Digital Twin nasce nel 2002 durante un presentazione di Michael Grieves (ricercatore e professore presso l’Università del Michigan) per la proposta di un Product Lifecycle Management center. Durante questa occasione Grieves definì il PLM come un sistema virtuale rappresentante lo specchio di quello reale dandogli il nome, in un primo momento di Mirrored Spaces Model per poi definirlo Information Mirroring Model.

L’adozione del termine Digital Twin avvenne nel 2011 con il saggio: “Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management” scritto sempre da Michael Grieves, nel quale viene utilizzato il termine Digital Twin per descrivere: “un insieme di costrutti informativi virtuali che descrivono completamente un manufatto fisico potenziale o reale, dal livello micro atomico al livello macro geometrico.”

E come funziona un Gemello Digitale?

I Gemelli Digitali funzionano attraverso la raccolta di dati da sensori, dispositivi e sistemi reali, che vengono elaborati e integrati in modelli virtuali tramite algoritmi e software avanzati, tutto questo in tempo reale. Ciò consente ai gestori di avere una visione dettagliata e accurata dello stato, del comportamento e delle prestazioni del dispositivo / sistema reale in ogni momento. Inoltre, è possibile eseguire delle simulazioni sul Digital Twin per prevedere scenari futuri, ottimizzare le operazioni e testare nuove modifiche senza influire sul Gemello Reale.

Infine, il mercato del Digital Twin sta vivendo, e continuerà a vivere, una crescita straordinaria passando dai 9,7 miliardi di $ del 2022 ai 185,78 miliardi di $ previsti per il 2031; con una crescita del 38,8%. Le industrie manifatturiere sono in prima linea nell’adozione di questa tecnologia anche se si sta assistendo a una diffusione sempre più ampia in settori come il trasporto, l’energia, l’edilizia e la sanità; inoltre, il mercato dei Gemelli Digitali è trainato dall’aumento della consapevolezza dei benefici legati all’ottimizzazione dei processi, alla riduzione dei costi operativi e al miglioramento della manutenzione predittiva.

Diverse tipologie di Digital Twin

All’interno del settore dei Gemelli Digitali esistono diverse tipologie, ognuna con un ruolo specifico e un approccio unico alla duplicazione digitale dei sistemi e degli oggetti del mondo reale. In comune hanno solo l’obiettivo finale: plasmare il paesaggio dei Digital Twin fornendo soluzioni versatili e specializzate per le sfide e le opportunità che si presentano nel mondo reale. Di seguito analizzeremo le principali tipologie di Digital Twin:

Digital Twin Prototype
Come suggerito dal nome, si tratta di una versione prototipale del Gemello Digitale che ha la funzione di testare idee, modelli e dati prima di creare un Digital Twin completo e definitivo. Inoltre, può essere utilizzato per verificare e validare le prestazioni previste, per scoprire eventuali problemi e per guidare l’intera fase di sviluppo.

Digital Twin Instance
È la rappresentazione digitale di un oggetto o di un sistema del mondo reale e ogni Instance è un esemplare unico che riflette un oggetto specifico. Queste istanze sono alimentate da dati in tempo reale provenienti dall’oggetto / sistema reale e vengono utilizzate per il monitoraggio, l’analisi e la simulazione.

Digital Twin Aggregate
Rappresenta un insieme di Digital Twin Instances ed è utilizzato quando è necessario monitorare e gestire non solo il singolo oggetto ma anche le relazioni con un determinato ecosistema di oggetti in modo simultaneo. Un esempio può essere la linea di produzione di un’industria manifatturiera.

Digital Twin Environment
Non si tratta di una tipologia di Gemello Digitale ma si riferisce all’ambiente virtuale in cui opera un Digital Twin; questo ambiente comprende il modello virtuale dell’oggetto / sistema, i dati in tempo reale e tutti gli strumenti utilizzati per simulare, analizzare, monitorare e prendere decisioni.

Alcuni esempi applicativi di Digital Twin

È chiaro come il Digital Twin possa offrire numerosi vantaggi tangibili che possono migliorare l’efficienza, la sicurezza e la gestione; analizziamo ora alcune applicazioni pratiche in vari settori, in particolare: industria, energy, edilizia, sanità e agricoltura.

Industria

Simulazione del comportamento dei prodotti in fari scenari prima di creare un prototipo fisico attraverso la creazione di modelli digitali dei prodotti in fase di progettazione.
Identificazione delle inefficienze e dei potenziali guasti per ottimizzare al massimo i processi di produzione, migliorare l’efficienza e ridurre i tempi di fermo.
Monitoraggio costante dello stato dei macchinari attraverso l’analisi dei dati in tempo reale in modo da effettuare manutenzioni predittive.
Formazione degli operatori in ambienti virtuali nettamente più sicuri rispetto a simulazioni nella realtà per migliorare il livello di sicurezza nei luoghi di lavoro.
Utilizzo dei Gemelli Digitali nei processi di ricerca e sviluppo per simulare nuovi prodotti e materiali, in questo modo si riducono i costi sperimentali e si accelera il processo di innovazione.

Energy

Monitoraggio e gestione in tempo reale della distribuzione e della fornitura di energia e risorse per migliorare l’efficienza e ridurre le interruzioni di servizio.
Controllo dettagliato delle prestazioni dei generatori per ottimizzare l’allocazione delle risorse energetiche rinnovabili e massimizzare la produzione di energia pulita.
Rilevazione in tempo reale del flusso di energia in modo tale da regolarlo e garantire un utilizzo efficiente e una stabilità della rete.
Identificazione delle potenziali vulnerabilità e controllo degli accessi per garantire la sicurezza delle infrastrutture energetiche e delle utility.
Controllo dell’inquinamento e ottimizzazione dell’uso delle risorse naturali per contribuire al monitoraggio ambientale.

Edilizia

Creazione di modelli digitali avanzati relativi agli edifici in fase di progettazione per simulare la sicurezza strutturale e la distribuzione degli spazi.
Monitoraggio dei progressi del cantiere in tempo reale confrontando il modello digitale completo con quello in costruzione e verificare la conformità al progetto originale in qualsiasi momento.
Gestione e manutenzione dello stato dei sistemi dell’edificio come l’impianto elettrico, idraulico e HVAC.
Simulazione degli scenari di emergenza, come incendi, per verificare i piani di evacuazione e individuare eventuali vulnerabilità strutturali.
Personalizzazione degli spazi in base alle esigenze degli utenti andando a modificare in prima fase il Digital Twin e poi eventualmente il progetto reale.

Sanità

Realizzazione di modelli dettagliati di organi e sistemi biologici per eseguire simulazioni virtuali e pianificare interventi chirurgici complessi.
Personalizzazione dei trattamenti medici in base alle specifiche esigenze del paziente migliorando l’efficacia dei trattamenti.
Formazione medica utilizzando i Digital Twin per eseguire simulazioni prima di affrontare casi reali aumentando la preparazione e la competenza dei medici.
Studio del funzionamento del corpo umano, delle reazioni dei farmaci e della propagazione di malattie fondamentali per lo studio di nuove terapie e farmaci.
Ottimizzazione della gestione delle risorse sanitarie migliorando il monitoraggio e la manutenzione delle apparecchiature mediche.

Agricoltura

Creazione di modelli virtuali delle colture alimentati da dati in tempo reale per monitorare la crescita, prevedere le rese e rilevare segnali di malattie.
Ottimizzazione dell’irrigazione monitorando l’umidità del suolo, la temperatura e altri parametri per determinare quando e quanto irrigare.
Analisi del fabbisogno delle colture e delle condizioni del suolo per applicare i nutrienti in modo mirato riducendo il sovradosaggio e il potenziale inquinamento.
Monitoraggio del movimento delle merci e della qualità dei prodotti per gestire al meglio la catena di approvvigionamento e garantire una distribuzione efficiente.
Adattamento della produzione alle reali esigenze di mercato sfruttando i Digital Twin e l’agricoltura di precisione.

Criticità, sfide e vantaggi del Gemello Digitale

Per concludere, il Digital Twin, con tutti i suoi vantaggi e criticità, è una tecnologia rivoluzionaria che sta plasmando il futuro di diversi settori. I vantaggi offerti da questa tecnologia includono l’ottimizzazione delle decisioni basate su dati precisi, il miglioramento dell’efficienza operativa attraverso la simulazione e l’ottimizzazione dei processi, nonché la riduzione dei costi grazie alla manutenzione predittiva.

Inoltre, il Digital Twin consente la personalizzazione dei prodotti e l’ottimizzazione delle risorse, contribuendo alla sostenibilità. Tuttavia, per sfruttare appieno questi vantaggi, è necessario affrontare alcune criticità e sfide. Tra queste, spiccano i costi iniziali elevati, la complessità tecnica che richiede competenze specializzate, l’integrazione dei dati da diverse fonti e la corretta gestione degli aspetti di privacy e sicurezza.

Nonostante queste sfide, il Digital Twin rappresenta il futuro e un nuovo modo di comprendere e gestire il mondo reale, apportando miglioramenti significativi alla nostra capacità di prendere decisioni informate e di ottimizzare le operazioni in vari settori.