Бачити майбутнє: як цифрові двійники змінюють світ довкола нас

"Г'юстон, у нас проблема". Цю фразу 14 квітня 1970 року сказав астронавт космічного корабля "Аполлон-13" Джим Ловелл у розмові з центром управління NASA. Вибух кисневого балона суттєво пошкодив системи життєзабезпечення та електроживлення корабля. Щоб урятувати екіпаж, інженери NASA на Землі використали систему-двійник – копію модуля, що відтворювала умови в космосі.

Двійник на Землі дозволив інженерам змоделювати аварію і в режимі реального часу випробувати різні сценарії для економії кисню, електроенергії та води. Завдяки цьому місію врятували.

Аварія на "Аполлоні-13" подарувала світу не лише фразу Ловелла. Створення копії космічного корабля стало одним із перших прототипів сучасної технології цифрових двійників, які використовуються в багатьох сферах життя: від замовлення таксі до проєктування міст.

Стрімкий розвиток інтернету речей (IoT), дата-центрів і технологій штучного інтелекту (ШІ) дозволив створювати цифрові копії будь-яких об'єктів у реальному світі. Вони відкривають нові можливості для розвитку технологій та покращення життя, а також стають основою для четвертої промислової революції.

Завдяки великим обчислювальним потужностям людство отримало шанс зазирнути в майбутнє і побачити його варіації, щоб у реальності обрати найоптимальнішу з них.

За останні роки цифрові двійники стали набагато ближчими до повсякденного життя, ніж можна уявити. Люди стикаються з ними майже щодня: коли замовляють таксі, шукають місце для обіду чи купують онлайн.

Як і багато інших успішних технологій, цифрові двійники стали частиною геополітичного суперництва між Китаєм та США. У березні Сі Цзіньпін оголосив, що ця технологія є однією з шести ключових галузей, у яких Китай прагне стати лідером і випередити США.

Що це таке

Цифровий двійник – це віртуальна модель фізичного об'єкта або системи, яка використовує реальні дані для моніторингу, аналізу та прогнозування їх поведінки в реальному часі. Піонером цієї галузі вважають NASA, яке у 2010 році застосовувало такі технології для своїх космічних кораблів, тестуючи їх у різних умовах. Проте за останнє десятиліття використання цифрових двійників вийшло далеко за межі аерокосмічної сфери.

Один з найвідоміших прикладів використання цифрового двійника – Google-карти. Вони відображають зміни у світі в режимі реального часу: затори, ремонти, нові будівлі. Щодня мільйони користувачів можуть спостерігати в реальному часі, як змінюється трафік на дорогах, та обирати вигідний маршрут.

Астронавти застрягли в космосі: як Boeing спіткала нова криза

Цифрові двійники можуть нагадувати звичайне моделювання чи симуляцію (розробка математичної моделі за допомогою комп'ютерного проєктування). Однак це не тотожні поняття. Однією з особливостей використання цифрових двійників є високий рівень деталізації та постійна взаємодія з реальним об’єктом.

Ще однією частиною створення та використання цифрових двійників є симуляція даних. Для створення цифрового двійника автомобіля збирають дані про реальне авто: конструкцію, матеріали, характеристики двигуна. Потім, використовуючи симуляцію, моделюють різні сценарії: рух по різних типах доріг у різних погодних умовах при різних навантаженнях. Це дозволяє оцінити поведінку машини в різних ситуаціях.

Масовість застосування

Створити цифрового двійника можна для будь-чого в реальному світі: продукту, процесу або системи.

Компанія Rolls-Royce, яка виготовляє авіаційні двигуни, одна з перших почала використовувати цифрові двійники для моніторингу продуктивності двигунів. Таким чином, кожен двигун компанії має свою копію.

Кожен політ справжнього літака супроводжується безперервним потоком даних від датчиків до центру моніторингу, де цифрові копії двигунів оновлюються в режимі реального часу. За допомогою ШІ компанія  аналізує ці дані, виявляючи будь-які відхилення від стандартних параметрів.

Made in Germany більше не працює: чому Volkswagen змушений закривати заводи

Під час одного з рейсів система моніторингу виявила можливу проблему з двигуном і визначила її причину. Інженери зв'язалися з авіакомпанією та пілотами, вирішивши, що політ можна продовжити. Тимчасом технічна команда отримала запчастини і підготувала новий двигун. Коли літак приземлився, фахівці вже були готові виконати ремонт.

Використання Rolls-Royce цифрових двигунів допомогло подовжити термін між техобслуговуванням для деяких двигунів до 50%. Водночас компанія змогла зменшити запаси деталей і запчастин, оскільки більшість поломок можна передбачити завдяки аналізу даних.

Цифрові двійники можуть значно підвищувати ефективність на промислових виробництвах, у ланцюгах постачання і навіть в електронній комерції.

Онлайн-ритейлер Amazon, агрегуючи величезний масив даних про продажі впродовж 30 років, побудував цифрову модель, здатну прогнозувати попит на 400 млн товарів на два роки вперед.

Ринок, що стрімко розвивається

Тривалий час цифрові двійники нагадували базові комп’ютерні моделі фізичних об’єктів і систем, а їх застосування найчастіше реалізовувалося в масштабних проєктах, де ціна помилки була надто великою. Однак тепер, коли обчислювальні потужності зросли, а датчики здатні вимірювати сотні чи навіть тисячі різних параметрів з реальності, ринок цифрових двійників почав захоплювати дедалі більше сфер.

На них тримається інтернет. Як боротьба за дата-центри стала новою "холодною" війною

Використання цифрових двійників заміняє процес тривалого фізичного прототипування швидким тестуванням у цифровому середовищі. За аналогією з прислів’ям "Сім разів відміряй – один раз відріж", у цифровому середовищі прораховувати різні варіанти зміни продукту в майбутньому можна нескінченну кількість разів.

Згідно з аналізом консалтингової компанії McKinsey, глобальний ринок технології цифрових двійників зростатиме на 60% щорічно протягом наступних п’яти років і досягне 73,5 млрд дол. до 2027 року.

З розвитком технологій ШІ прогнозування майбутнього за допомогою цифрових двійників стає важливим завдання для цілих регіонів. Так, Google з 2017 року активно створює гідрологічні моделі, які прогнозують річкові повені.

Обробляючи загальнодоступні дані про погоду (опади, супутникові знімки, вологість ґрунту, сніговий покрив), Google за допомогою генеративного ШІ опрацьовує різні варіанти погодних умов та інших факторів, щоб прогнозувати зміни довкола річкових басейнів.

Основною проблемою для цифрових двійників є дані. Трапляються випадки, коли для створення копії певного об’єкта у віртуальному світі недостатньо якісної та релевантної інформації. Через це цифровий двійник може неточно або неправильно відображати об'єкт чи систему.

Наприклад, якщо при проєктуванні будівлі цифровий двійник не врахує всі дані, це може призвести до помилок у розрахунках. У результаті будівля не зможе відповідати вимогам безпеки, а проблеми виявляться лише після завершення будівництва.

Цифровий двійник людини

Очікується, що до 2030 року вченим вдасться створити функціональну копію людського організму в цифровому світі. Дослідники Лондонського університету королеви Марії створюють цифрові копії сердець пацієнтів. Це дозволяє їм досліджувати різні варіанти лікування фібриляції передсердь без необхідності проводити ризиковані експерименти на реальних людях.

Оскільки вчені почали об’єднувати моделі різних органів, людство стоїть на порозі створення повністю функціональних віртуальних організмів. Такі цифрові копії можуть працювати як боліди "Формули-1", що мають понад 250 датчиків та оновлюють свій цифровий двійник під час гран-прі, але замість інженерів-механіків за роботою організмів спостерігатиме сімейний лікар.

Прорив у медицині чи нова бульбашка: що не так із стартапом Neuralink Ілона Маска

Цифрові двійники в медицині залежні від постійного потоку даних про функціонування організму людини. Кожне відвідування лікаря, прийняті ліки, результати аналізів, спосіб життя збираються у формі даних. Розумні годинники чи фітнес-браслети знають усе про серцебиття, сон, ходьбу і навіть стреси.

Усі ці дані можуть формувати уявлення про стан здоров’я пацієнта в будь-який момент. За таким принципом лікар за допомогою цифрового двійника зможе експериментувати із сценаріями лікування та персоналізувати допомогу з точністю, яка раніше була неможливою.

Один з успішних прикладів – затверджена FDA (Управління з продовольства і медикаментів США) штучна підшлункова залоза, яка автоматично керує введенням інсуліну людям з діабетом першого типу. Пристрій під шкірою пацієнта регулярно вимірює рівень глюкози в крові і передає дані на смартфон.

Там цифровий двійник симулює процеси метаболізму глюкози в організмі. Використовуючи ці дані, алгоритм визначає необхідну дозу інсуліну і через помпу вводить її в тіло пацієнта. Таким чином, цифровий двійник виконує функцію регулювання рівня глюкози, як це робить здорова підшлункова залоза людини.