Digital Twin cos’è, a cosa serve e perché tutti cercano il gemello digitale

Digital Twin cos’è, a cosa serve e perché tutti cercano il gemello digitale. Una guida esclusiva realizzata in collaborazione con il CRS4, Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna, nell’ambito del progetto multimediale #CRS4Talk.

Nelle puntate precedenti:
– Quantum Computing cos’è, a cosa serve e perché tutti lo cercano
– Interfaccia uomo-macchina cos’è e a cosa serve davvero. Il caso “Sinnos”.

Digital twin, gemello digitale, cos’è

Il digital twin, o gemello digitale, è una rappresentazione virtuale di un’entità o di un processo del mondo reale.

Si tratta di una rappresentazione composta dai seguenti tre elementi:

• Un’entità fisica nello spazio reale;
• Il gemello digitale in forma software;
• Dati che collegano i primi due elementi.

Un digital twin è unico rispetto all’oggetto rappresentato, non semplicemente generico per la categoria a cui appartiene. Inoltre, i gemelli digitali di due prodotti apparentemente identici solitamente non saranno mai identici.

Sebbene a molti gemelli digitali sia associata un’immagine di progettazione assistita da computer (CAD, letteralmente Computer Aided Design) 2D o 3D, la rappresentazione visiva non è un prerequisito. La rappresentazione digitale, o modello digitale, potrebbe consistere in un database, un insieme di equazioni o un foglio di calcolo.

Il collegamento dati, spesso ma non necessariamente bidirezionale, è ciò che differenzia i digital twin da concetti simili. Questo collegamento consente agli utenti di indagare sullo stato dell’oggetto o del processo interrogando i dati facendo in modo che le azioni comunicate attraverso il gemello digitale abbiano effetto nella sua controparte fisica.

Il Digital Twin Consortium, un’associazione industriale che lavora per costruire il mercato e raccomandare standard, aggiunge una frase importante alla definizione di base: “sincronizzato a una frequenza e fedeltà specifiche”.

Questi qualificatori si riferiscono a tre aspetti chiave della tecnologia:

• La sincronizzazione consiste nel garantire che il digital twin e l’entità rappresentata si rispecchino il più fedelmente possibile.
• La frequenza, o velocità, con cui i dati vengono aggiornati in un gemello digitale può variare enormemente, da secondi a settimane o su richiesta, a seconda dello scopo.
• La fedeltà è il grado di precisione e accuratezza della rappresentazione virtuale e del meccanismo di sincronizzazione.

I gemelli digitali vengono creati utilizzando lo stesso software CAD e di modellazione utilizzato da progettisti e ingegneri nelle prime fasi di sviluppo del prodotto. La differenza con un gemello digitale è che il modello viene conservato e aggiornato per le fasi successive del ciclo di vita del prodotto, come l’ispezione e la manutenzione, e spesso gestito nel software PLM (Product Lifecycle Management).

Le connessioni fisiche tra l’entità e il suo gemello sono spesso sensori IoT (internet of things) e un’implementazione IoT matura è spesso un prerequisito per i digital twin.

È stato anche affermato che l’IoT ha ugualmente bisogno dei gemelli digitali perché apportano struttura, analisi e usabilità ai dati IoT che altrimenti sarebbero disorganizzati e difficili da interpretare.

La natura simbiotica della relazione è stata evidenziata in uno studio Gartner del 2019 che ha riscontrato un’ampia adozione dei gemelli digitali tra gli implementatori dell’IoT (Internet delle cose).

Infine, l’analisi, spesso supportata dall’intelligenza artificiale e dall’apprendimento automatico (machine learning), è essenziale per l’elaborazione e l’analisi dei dati dei gemelli digitali.

Tipologie di digital twin

Esistono diversi modi per classificare i digital twin, ma le seguenti quattro categorie, organizzate in una gerarchia, sono di gran lunga le più comuni:

• Gemelli di componenti (noti anche come gemelli di parti). Il livello più elementare; non è per parti semplici come le viti ma per cose come i sottoassiemi meccanici.
• Gemelli di asset (prodotto). Due o più componenti la cui interazione è rappresentata nel gemello digitale.
• Gemelli di sistema (unità). Risorse assemblate in un’unità completa e funzionante.
• Gemelli di processo. Sistemi che lavorano insieme per raggiungere un obiettivo più ampio.

Interoperabilità dei digital twin

Per essere utili, i gemelli digitali devono funzionare in una varietà di applicazioni aziendali.

Sebbene di solito inizino con CAD e PLM, alcuni gemelli digitali vengono gestiti anche con software ERP (Enterprise Resource Planning) e di pianificazione dei fabbisogni di materiali (MRP).

ERP e MRP archiviano un inventario completo dei materiali e delle parti necessarie per realizzare un prodotto. ERP e MRP insieme gestiscono anche molti dei processi della supply chain e di produzione che contribuiscono alla realizzazione di un prodotto; lungo il percorso, raccolgono gran parte dei dati che confluiscono nel gemello digitale.

Un’altra fonte comune di dati sui gemelli digitali è il sistema di esecuzione della produzione (MES, Manufacturing Execution System) che molte aziende utilizzano per monitorare, controllare e ottimizzare i sistemi di produzione in fabbrica.

Anche il software di gestione delle risorse aziendali, che è sempre più il sistema preferito dalle aziende per gestire l’acquisto, il monitoraggio e la manutenzione delle loro apparecchiature più preziose, deve integrarsi con i digital twin.

Inoltre, i fornitori di servizi cloud che offrono servizi di digital twin, come Amazon Web Services e Microsoft Azure, devono disporre di una sorta di integrazione con le altre applicazioni aziendali. È anche possibile che i gemelli digitali che risiedono a diversi livelli della gerarchia (ad esempio asset twin e process twin) siano distribuiti su diversi servizi cloud.

Le sfide dei gemelli digitali

Le organizzazioni che desiderano sviluppare digital twin devono affrontare almeno sei grandi sfide:

• Gestione dati. La pulizia dei dati è spesso necessaria per rendere i dati di un modello CAD o di un sensore IoT utilizzabili in un gemello digitale. Potrebbe essere necessario creare un data Lake per gestire i dati del gemello digitale ed eseguire analisi su di essi. Decidere chi possiede i dati è un altro problema.
• La sicurezza dei dati. I dati dei digital twin sono tempestivi e cruciali, ma viaggiano anche attraverso diverse reti e applicazioni software, il che rende difficile proteggerli in ogni fase.
• Sviluppo dell’IoT. Essendo la fonte di dati preferita per la maggior parte dei dati storici e in tempo reale su un’entità o un processo, i sensori IoT sono solitamente un requisito fondamentale dei gemelli digitali. L’implementazione dell’IoT presenta grandi sfide in termini di infrastruttura di rete e capacità di archiviazione, sicurezza dei dispositivi e dei dati e gestione dei dispositivi.
• System Integration. I gemelli digitali spesso nascono nel software CAD ma trovano maggiore utilizzo nel PLM, dove vengono utilizzati nei servizi post-vendita, come il monitoraggio delle prestazioni e la manutenzione delle apparecchiature. Numerosi fornitori di software CAD e PLM dispongono di integrazioni individuali, ma non sempre sono adeguate e i fornitori più piccoli potrebbero non disporre di un’integrazione efficace.
• Collaborazione con i fornitori. I numerosi partecipanti a una supply chain devono essere disposti a condividere le informazioni dei propri processi produttivi per garantire che le informazioni in un gemello digitale siano complete.
• Complessità. I dati raccolti nelle diverse applicazioni software utilizzate da un produttore e dai suoi fornitori non solo sono voluminosi, ma cambiano spesso. Le modifiche progettuali dell’ultimo minuto, ad esempio, devono essere apportate alla versione finale del gemello in modo che il cliente e il produttore dispongano delle informazioni più aggiornate.

Digital Twin nel metaverso

I gemelli digitali sono uno degli elementi costitutivi del metaverso, un concetto ampio che incorpora tecnologie come la realtà virtuale che rendono possibili mondi digitali immersivi e altamente interattivi. I sostenitori stanno lavorando per ricreare nel metaverso molti degli elementi con cui le persone interagiscono nel mondo reale.

La realtà aumentata, un’altra tecnologia fondamentale del metaverso, può sovrapporre un gemello digitale all’oggetto che rappresenta per fornire ai tecnici sul campo dati di manutenzione più dettagliati. I gemelli digitali potrebbero anche fornire alcuni dati per le immagini nella realtà virtuale.

Sia il metaverso che i gemelli digitali richiedono sforzi erculei per catturare e poi rispecchiare digitalmente le cose nel mondo. Per i gemelli digitali, il processo si chiama acquisizione della realtà. Di solito viene eseguito con uno scanner laser che dirige un raggio laser su un oggetto e sullo spazio circostante per acquisire le misurazioni. I file di scansione laser vengono quindi combinati in una nuvola di punti, un insieme di punti nello spazio 3D che delineano la geometria dell’oggetto scansionato. Spesso viene aggiunto il colore e la nuvola di punti viene importata nel software CAD per ulteriori miglioramenti.

La tecnologia di acquisizione della realtà si è estesa oltre gli scanner laser per includere, tra gli altri, software per smartphone e droni, che dovrebbero contribuire ad espandere il suo utilizzo nello sviluppo dei gemelli digitali.

Digital Twin, un caso di eccellenza concreto e tutto italiano

Proprio collegata alla “magia” possibile del Digital Twin è la recente storia di un caso applicativo di eccellenza che riguarda, ancora una volta, il CRS4, Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna. Nelle scorse settimane proprio i tecnologi del CRS4, Federico Bachis, Marco Massa e Massimo Deriu, hanno infatti annunciato di avere ricevuto la concessione della domanda di brevetto italiano riguardante un sistema elettronico di controllo della navigazione autonoma di uno o più robot all’interno di ambienti chiusi. L’invenzione prevede che i robot siano guidati secondo percorsi che vengono identificati e ricalcolati istantaneamente per evitare la presenza di eventuali ostacoli grazie, manco a dirlo, ai “gemelli digitali” che si muovono virtualmente con le informazioni sull’ambiente ricavate dall’acquisizione e dall’elaborazione combinata di segnali a infrarosso e segnali ottici.

La tecnologia d’avanguardia dei digital twin utilizzata in questo brevetto sfrutta la rappresentazione virtuale di un’entità fisica in grado di riprodurre lo stato complessivo di un sistema reale, ma la particolarità è che in questo caso è il gemello digitale a manovrare quello fisico, con il quale può scambiare dati e informazioni.

Il campo di applicazione di questa invenzione spazia dall’utilizzo nel settore industriale per la movimentazione delle merci nei magazzini, alle visite guidate in ambienti confinati, fino all’ambito della sicurezza e della sorveglianza.

«Il Centro – racconta soddisfatto Giacomo Cao, amministratore unico del CRS4 – ha delineato da oltre tre anni una chiara strategia di tutela della proprietà intellettuale che consenta da un lato di far conoscere una parte del patrimonio di competenze acquisito e dall’altro di avere l’opportunità di verticalizzarne finanziariamente il possibile sfruttamento. In questo contesto si inserisce l’eccellente risultato raggiunto dai nostri tecnologi nell’ambito di un settore ad alto impatto come quello robotico. L’auspicio è che venga presto affrontato, sotto il profilo della strategia regionale legata al mondo dell’innovazione, il tema relativo al contributo pubblico al mantenimento in vita dei brevetti concessi, soprattutto a favore delle piccole e medie imprese che non potendo spesso disporre delle necessarie risorse finanziarie sono forzate a rinunciare alla tutela del know-how acquisito».

Storia dei gemelli digitali

Molti esperti fanno risalire l’inizio del concetto di gemello digitale (anche se non il nome) al 1969, quando la NASA aumentò i simulatori di addestramento con i dati telemetrici della navicella spaziale Apollo 13 danneggiata per diagnosticare e risolvere i problemi. Il concetto di gemelli digitali è stato esposto per la prima volta nel 2002 dal consulente della NASA Michael Grieves, un accademico influente nel campo del PLM, e ampliato in modo significativo negli anni successivi. Nel 2010, il collaboratore di Grieves, John Vickers, responsabile della produzione avanzata della NASA, ha iniziato ad applicare il termine gemello digitale al concetto.

Nei due decenni successivi, a partire dal settore manifatturiero, i gemelli digitali si sono estesi ad altri settori, sono diventati una caratteristica standard dei software CAD e PLM, sono saliti ai vertici dei cicli pubblicitari e delle ricerche di mercato e hanno iniziato a mettere radici nell’immaginazione popolare.

Vale la pena notare, tuttavia, che i gemelli digitali sono solo sui tavoli da disegno nella maggior parte delle aziende. Da un sondaggio Capgemini del 2022 è emerso che circa la metà delle organizzazioni che hanno piani a lungo termine per i gemelli digitali non dispongono dell’impegno manageriale e degli investimenti per realizzarli.