El término “gemelo digital” fue utilizado por primera vez por el Dr. Michael Grieves, investigador de la Universidad de Michigan, en 2002. Grieves trabajaba en la NASA en ese momento, explorando formas de utilizar gemelos digitales para mejorar el diseño y el rendimiento de las naves espaciales. La idea de utilizar réplicas virtuales para simular y optimizar objetos del mundo real se popularizó rápidamente.
Desde entonces, la tecnología de gemelos digitales se ha expandido a diversas industrias y aplicaciones. Hoy en día, los gemelos digitales se utilizan en la fabricación, la atención médica, las ciudades inteligentes y los deportes para mejorar la eficiencia, optimizar el rendimiento y reducir los costes.
La historia de la tecnología de gemelos digitales todavía es relativamente corta, pero está evolucionando rápidamente y promete cambiar el modo en que diseñamos, construimos y operamos sistemas complejos.
En este artículo, exploraremos los detalles de la tecnología de gemelos digitales: qué es, cómo funciona y sus aplicaciones actuales.
Indice
¿Qué es un gemelo digital?
Un gemelo digital es una representación virtual de una entidad o proceso del mundo real.
Se compone de los tres elementos siguientes:
- Una entidad física en el espacio real.
- El gemelo digital en forma de software.
- Datos que vinculan los dos primeros elementos.
Un gemelo digital funciona como un proxy del estado actual de lo que representa. También es exclusivo de lo que representa, no simplemente genérico para la categoría.
Si bien muchos gemelos digitales tienen una imagen 2D o 3D de diseño asistido por computadora asociada a ellos, la representación visual no es un requisito previo.
El vínculo de datos, que suele ser bidireccional, aunque no necesariamente, es lo que diferencia a los gemelos digitales de otros conceptos similares.
El Consorcio Gemelo Digital, una asociación industrial que trabaja para construir el mercado y recomendar estándares, agrega una frase importante a la definición básica: «sincronizado a una frecuencia y fidelidad específicas».
Estos calificadores se refieren a tres aspectos clave de la tecnología:
- La sincronización garantiza que el gemelo digital y la entidad representada se reflejen entre sí lo más fielmente posible.
- La frecuencia o velocidad con la que se actualizan los datos en un gemelo digital puede variar enormemente, desde segundos hasta semanas o según demanda, dependiendo del propósito.
- La fidelidad es el grado de precisión y exactitud de la representación virtual y del mecanismo de sincronización.
Las conexiones físicas entre la entidad y su gemelo suelen ser sensores de Internet de las cosas (IoT), y una implementación madura de IoT suele ser un requisito previo para los gemelos digitales.
Por último, el análisis, a menudo reforzado por la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático, es esencial para procesar y analizar los datos de los gemelos digitales.
Tipos
Existen varias formas de categorizar los gemelos digitales, pero las siguientes cuatro categorías, organizadas en una jerarquía, son las más comunes:
- Componentes gemelos (también conocidos como piezas gemelas): el nivel más básico; no es para piezas simples como tornillos, sino para cosas como subconjuntos mecánicos.
- Gemelos de activos (gemelos de producto): Dos o más componentes cuya interacción está representada en el gemelo digital.
- Sistemas gemelos (unidades gemelas): activos ensamblados en una unidad completa y funcional.
- Procesos gemelos: sistemas que trabajan juntos para alcanzar un objetivo mayor.
Algunos observadores emplean categorías menos abstractas para los gemelos digitales y los nombran según el tipo de objeto físico que representan. Algunos ejemplos son los gemelos de infraestructura para carreteras y edificios, y los gemelos de red para procesos como las cadenas de suministro que involucran entidades que operan en una red.
Beneficios
Debido a que son virtuales, los gemelos digitales pueden reducir el coste y el riesgo de tener que trabajar en las cosas físicas que representan. Otros beneficios incluyen los siguientes:
- Mayor eficiencia operativa al disponer de datos más oportunos y una producción más rápida y efectiva.
- I+D más eficaz y menos costosa y menor tiempo de comercialización porque los prototipos físicos, que pueden ser caros y difíciles de modificar, se reemplazan por prototipos virtuales, que son más flexibles y producen más datos.
- Mejor calidad del producto ya que los gemelos digitales ayudan a identificar defectos en una etapa más temprana del proceso de producción.
- Mayor tiempo de funcionamiento del equipo gracias al mantenimiento predictivo hecho posible al analizar gemelos digitales individuales en lugar de tener que apagar todo el equipo para aislar un problema.
- Monitorización remota más precisa y eficiente de instalaciones y equipos mediante la integración con sus gemelos digitales.
- Procesos mejorados de fin de vida útil de productos, como reacondicionamiento y reciclaje, gracias a información más precisa sobre la antigüedad y el contenido de un producto.
¿Cómo funciona un gemelo digital?
La tecnología de gemelos digitales reúne una variedad de disciplinas, incluido el modelado 3D, la inteligencia artificial y la Internet de las cosas:
1. Software de modelado 3D
Se debe crear un modelo 3D de un objeto mediante herramientas de modelado 3D y software informático. Este modelo sirve como columna vertebral de un gemelo digital, que lo complementa con datos de sensores para desarrollar una copia digital más completa.
2. Datos de sensores de IoT
Se colocan sensores en el objeto y recopilan información sobre cómo responde a una serie de factores y factores estresantes. Con base en estos datos de rendimiento en tiempo real, el gemelo digital puede crear un perfil detallado del objeto que es dinámico, lo que significa que cualquier cambio que experimente el objeto también se refleja en el gemelo digital.
Esto ofrece el valor real del gemelo digital. Poder usar este gemelo digital durante todo el ciclo de vida del producto es lo que le da el mayor valor.
3. Inteligencia artificial
Los algoritmos de IA analizan los datos transferidos desde los sensores de IoT, revelan patrones y brindan información valiosa. Estos algoritmos son los que impulsan las predicciones de cómo pueden reaccionar los objetos en numerosas circunstancias. Los equipos pueden actuar en función de estos hallazgos para ajustar los equipos, optimizar los procesos, anticipar problemas y abordar otras necesidades comerciales.
Interoperabilidad
Para ser útiles, los gemelos digitales deben funcionar en una variedad de aplicaciones empresariales.
Si bien generalmente comienzan en CAD y PLM, algunos gemelos digitales también se gestionan en software ERP y de planificación de requisitos de materiales (MRP).
Los sistemas ERP y MRP almacenan la lista de materiales (BOM), un inventario completo de los materiales y las piezas necesarias para fabricar un producto y, por lo general, un importante contribuyente a los datos del gemelo digital. El ERP y el MRP también gestionan muchos de los procesos de la cadena de suministro y producción que intervienen en la fabricación de un producto. En el proceso, recopilan gran parte de los datos que se incorporan al gemelo digital.
Otra fuente común de datos gemelos digitales es el sistema de ejecución de fabricación (MES) que muchas empresas utilizan para supervisar, controlar y optimizar los sistemas de producción en la fábrica.
El software de gestión de activos empresariales +, que es cada vez más el sistema preferido que utilizan las empresas para gestionar la compra, el seguimiento y el mantenimiento de sus equipos más valiosos, también debe integrarse con gemelos digitales.
Además, los proveedores de nube pública que ofrecen servicios de gemelos digitales, como Amazon Web Services y Microsoft Azure, se integran con aplicaciones empresariales. Incluso es posible que los gemelos digitales que residen en diferentes niveles de la jerarquía (por ejemplo, los gemelos de activos y los gemelos de procesos) se distribuyan en diferentes servicios de nube.
Desafíos de los gemelos digitales
Las organizaciones que buscan desarrollar gemelos digitales enfrentan otros obstáculos abrumadores. A continuación, se enumeran seis de los mayores desafíos de los gemelos digitales:
Gestión de datos
A menudo es necesario limpiar los datos para que los datos de un modelo CAD o un sensor de IoT se puedan utilizar en un gemelo digital. Es posible que sea necesario establecer un lago de datos para gestionar los datos del gemelo digital y realizar análisis sobre ellos. Decidir quién es el propietario de los datos es otro problema.
Seguridad de los datos
Los datos de los gemelos digitales son oportunos y críticos, pero también viajan a través de varias redes y aplicaciones de software, lo que dificulta su protección en cada etapa.
Desarrollo de IoT
Como fuente de datos preferida para la mayoría de los datos históricos y en tiempo real sobre una entidad o proceso, los sensores de IoT suelen ser un requisito básico de los gemelos digitales. La implementación de IoT presenta sus propios desafíos en cuanto a infraestructura de red y capacidad de almacenamiento, seguridad de dispositivos y datos, y administración de dispositivos.
Integración de sistemas
Los gemelos digitales suelen empezar a utilizarse en el software CAD, pero se utilizan más en PLM, donde se emplean en servicios posventa, como la supervisión del rendimiento y el mantenimiento de equipos. Numerosos proveedores de software CAD y PLM tienen integraciones uno a uno, pero no siempre son adecuadas y los proveedores más pequeños pueden no tener una integración incorporada.
Colaboración entre proveedores
Los numerosos participantes de una cadena de suministro deben estar dispuestos a compartir información de sus propios procesos de producción para garantizar que la información contenida en un gemelo digital esté completa.
Complejidad
Los datos recopilados en las distintas aplicaciones de software que utilizan un fabricante y sus proveedores no solo son voluminosos, sino que cambian con frecuencia. Los cambios de diseño de última hora, por ejemplo, deben incluirse en la versión final del gemelo para que el cliente y el fabricante tengan la información más actualizada.
El efecto del gemelo digital en la sostenibilidad medioambiental
Los fabricantes utilizan gemelos digitales para mejorar la eficiencia de los procesos de producción y conservar recursos como el agua y la energía, así como para reducir la contaminación y los residuos en las fábricas. Algunos están empezando a modificar los gemelos digitales explícitamente para objetivos de sostenibilidad, como la optimización de la gestión energética y la reducción de las emisiones de carbono.
Los gemelos digitales también se utilizan para mejorar la sostenibilidad de los productos al mejorar la trazabilidad de la cadena de suministro y permitir un mejor control de todo el ciclo de vida del producto, desde las materias primas hasta la producción, el uso y la eliminación.
Por otra parte, existe una creciente conciencia de que las iniciativas de transformación digital que involucran gemelos digitales, IA o blockchain requieren nuevos y potentes centros de datos que consumen recursos sustanciales, incluidos tierra, energía y agua.
Casos de uso y ejemplos de gemelos digitales
Las implementaciones iniciales de gemelos digitales se orientaron principalmente al diseño, producción y mantenimiento de equipos físicamente grandes y de valor extremadamente alto, como aviones, edificios, puentes y plantas de generación de energía donde una falla mecánica puede poner en peligro la vida o causar pérdidas financieras que exceden el gasto y el esfuerzo significativos de desarrollar un gemelo digital.
Las siguientes industrias son las que registran mayor actividad en la planificación o implementación de gemelos digitales:
Fabricación
El mundo industrial es ampliamente reconocido como pionero en el uso de gemelos digitales y ha sido testigo de su implementación más amplia. Durante varios años, los fabricantes han estado creando gemelos digitales de piezas, productos y sistemas y están comenzando a implementar gemelos de procesos que modelan procesos de producción y, a veces, fábricas enteras.
Servicios públicos y energía
Las compañías eléctricas están utilizando gemelos digitales para diseñar, supervisar y mantener plantas de energía, redes eléctricas, transmisión y consumo. La tecnología también podría ayudar a mejorar la eficiencia de los sistemas de energía renovable, como las instalaciones solares y los parques eólicos, cuya producción es menos predecible que las plantas que queman combustibles fósiles. Los gemelos digitales de procesos podrían algún día reflejar redes eléctricas completas.
Atención sanitaria
Los gemelos digitales basados en registros médicos electrónicos, imágenes médicas, secuenciación genómica y otra información médica podrían facilitar a los proveedores el diagnóstico de enfermedades y la recomendación de tratamientos mediante la comparación del gemelo digital de un paciente con el de otros pacientes con perfiles similares. Las pruebas médicas podrían realizarse de manera más eficiente al evitar los riesgos de utilizar pacientes reales. Los investigadores ya están realizando simulaciones con datos anónimos de gemelos digitales para identificar las mejores opciones de terapia.
Planificación y construcción urbana
Los gemelos digitales se están utilizando en el diseño de grandes edificios y plataformas petrolíferas marinas. Algunos usuarios están ampliando enormemente los gemelos de construcción para abarcar barrios y ciudades, con un enfoque en la infraestructura. El Reino Unido incluso intentó desarrollar un gemelo digital nacional, pero puso fin a la iniciativa de cinco años en 2022.
Los gemelos digitales también tienen un papel en las iniciativas de ciudades inteligentes, que tienen como objetivo conectar digitalmente la infraestructura, a menudo a través de IoT, y aplicar inteligencia artificial y análisis a los datos, haciendo que el transporte sea más eficiente y ahorrando energía, entre muchos otros objetivos.
Automoción
Los gemelos digitales desempeñan su papel habitual en la etapa de diseño del vehículo, pero también en etapas posteriores del ciclo de vida del mismo, como el mantenimiento. Los fabricantes de automóviles también están utilizando gemelos digitales para hacer más eficientes las plantas de montaje. Se espera que los gemelos digitales reduzcan las retiradas masivas de productos al permitir que se analice el gemelo único de cada vehículo en busca de defectos. Los gemelos digitales de los clientes permiten realizar pruebas de conducción virtuales de los vehículos.
Logística
Las empresas pueden diseñar gemelos digitales de entornos completos para simular escenarios que involucran una serie de factores, incluidos eventos climáticos, interrupciones causadas por el hombre y precios del combustible. Al poder analizar sus opciones, las organizaciones pueden abordar mejor los desafíos de la cadena de suministro y adaptarse rápidamente cuando surgen problemas inesperados.
Comercio minorista y comercio electrónico
Los minoristas utilizan gemelos digitales para modelar la ubicación de los productos, el recorrido del cliente por una tienda y el impacto de los nuevos diseños de tiendas. Algunas empresas han comenzado a utilizar la tecnología para crear gemelos en línea de sus tiendas para aumentar el interés en sus sitios de comercio electrónico. Los gemelos digitales también están ayudando a mejorar el realismo de las imágenes de productos en 3D.
Gobierno
Singapur diseñó un gemelo digital del país para anticipar y comprender los riesgos climáticos, de modo que pueda gestionar mejor sus recursos y aplicar soluciones de energía renovable. El país de Tuvalu también ha considerado la posibilidad de utilizar un gemelo digital, como una forma de preservar su gobierno y sus costumbres culturales, mientras el aumento de las aguas amenaza con sumergir la nación insular.
Aeroespacial
Ricardo Sanfelice, profesor de la UC Santa Cruz, está explorando cómo se podrían utilizar los gemelos digitales de naves espaciales para probar cómo responderían las naves espaciales a diferentes escenarios e informar sobre el diseño de la nave espacial, ahorrando tiempo y costos. El objetivo es construir naves espaciales que puedan llevar a cabo misiones complicadas, como limpiar la basura espacial alrededor de la atmósfera de la Tierra.
Gemelos digitales en el metaverso
Los gemelos digitales son uno de los pilares del metaverso, un concepto amplio que incorpora tecnologías como la realidad virtual que permiten mundos digitales inmersivos y altamente interactivos. Los defensores están trabajando para recrear en el metaverso muchos de los elementos con los que las personas interactúan en el mundo real. Por ejemplo, en un metaverso empresarial, se integran gemelos digitales de varios aspectos de una organización para simular operaciones y mejorar la toma de decisiones.
La realidad aumentada, otra tecnología fundamental del metaverso, puede superponer un gemelo digital sobre el objeto que representa para proporcionar a los técnicos de campo datos de mantenimiento más detallados. Los gemelos digitales también podrían proporcionar algunos de los datos para imágenes en realidad virtual.
Tanto el metaverso como los gemelos digitales exigen esfuerzos hercúleos para capturar y luego reflejar digitalmente las cosas del mundo. En el caso de los gemelos digitales, el proceso se denomina captura de la realidad. Por lo general, se realiza con un escáner láser que dirige un rayo láser a un objeto y al espacio circundante para capturar mediciones. Luego, los archivos de escaneo láser se combinan en una nube de puntos, un conjunto de puntos en el espacio 3D que delinean la geometría del objeto escaneado. A menudo se agrega color y la nube de puntos se importa al software CAD para mejorarla aún más.
La tecnología de captura de la realidad se ha expandido más allá de los escáneres láser para incluir software de teléfonos inteligentes y drones, entre otros, lo que debería ayudar a expandir su uso en el desarrollo de gemelos digitales. Además, los avances en IA prometen innovación en cómo se crean y almacenan las representaciones 3D.
Gemelos digitales frente a simulaciones
Si bien las simulaciones a veces se ejecutan en gemelos digitales, no son una característica definitoria de los gemelos digitales. Por el contrario, las simulaciones no son automáticamente gemelos digitales, porque generalmente carecen de conexiones de red sólidas con la entidad representada y un modelo de datos que organice la información. Además, la mayoría de las simulaciones se centran en un solo proceso, mientras que un gemelo digital suele ser más complejo y contiene datos suficientes para dar cabida a varias simulaciones.
El marketing exagerado a menudo confunde ambos conceptos, pero las diferencias son fáciles de mantener claras.
Las simulaciones suelen realizarse en software CAD durante la fase de diseño de un producto o proceso. Los ingenieros crean modelos 2D o 3D, introducen variables y observan cómo afectan los resultados.
Por el contrario, los gemelos digitales existen a lo largo de todo el ciclo de vida del producto. Con el tiempo, adquieren cantidades sustanciales de datos en tiempo real que les permiten evolucionar y representar con mayor precisión el estado actual de sus contrapartes físicas.
Las simulaciones realizadas en gemelos digitales son más activas e involucran muchas variables, mientras que las realizadas en CAD son estáticas y generalmente utilizan una pequeña cantidad de variables. Las simulaciones CAD son teóricas, mientras que las simulaciones de gemelos digitales están conectadas con el mundo real.
Cómo una organización puede iniciarse en la tecnología de gemelos digitales
Se aconseja a las organizaciones que pongan en orden sus datos antes de implementar gemelos digitales. Esto implica construir y mantener una infraestructura de datos de alta calidad que proporcione datos confiables.
Hay tres pasos principales para desarrollar y escalar gemelos digitales:
- Crear un plan. Definir los tipos de gemelos que se construirán, cómo evolucionarán sus capacidades y el orden que maximizará su valor y reutilización. Establecer estructuras de propiedad y gobernanza.
- Construir el gemelo digital básico. Ensamblar el producto de datos central, que permite desarrollar visualizaciones y los primeros casos de uso.
- Amplíar y mejorar los gemelos digitales. Agregar capas de datos, análisis más avanzados, inteligencia artificial y simulaciones.
Las organizaciones pueden basarse en el conjunto de datos inicial y reutilizable y en los gemelos digitales para seguir ampliando los casos de uso, y los gemelos pueden evolucionar en función de los comentarios del mundo real y adquirir más capacidades predictivas. La conexión de los gemelos para formar gemelos de procesos permite simular las relaciones entre entidades. Por ejemplo, la integración de los gemelos digitales de los clientes con los gemelos de las tiendas minoristas, los sitios de comercio electrónico y la infraestructura de la cadena de suministro permite a una empresa analizar y simular estrategias comerciales y, finalmente, construir un metaverso empresarial.
Futuro de los gemelos digitales
En el corto plazo, es probable que los desarrolladores amplíen el uso de gemelos digitales a una gama más amplia de entidades, desde partes del cuerpo hasta personas, desde ciudades inteligentes hasta cadenas de suministro globales.
A medida que el precio de la tecnología de gemelos digitales baje, las empresas ya no limitarán su uso a sus equipos más caros y de misión crítica. El crecimiento continuo de las opciones de desarrollo de gemelos digitales, la infraestructura de IoT y conceptos relacionados como el metaverso deberían ayudar a popularizar los gemelos digitales y facilitar su implementación.
La mayoría de los investigadores de mercado esperan que el crecimiento se dispare.
Se vislumbran importantes avances en la tecnología de gemelos digitales. Por ejemplo, los investigadores han estado debatiendo sobre gemelos digitales cognitivos que tendrían capacidades de inteligencia artificial generativa y aprendizaje automático que les permitirían funcionar como compañeros inteligentes de sus contrapartes del mundo real.
Los desarrolladores de software están trabajando en esquemas de bases de datos alternativos, incluidas las redes semánticas, que pueden unificar las innumerables fuentes de datos que alimentan a los gemelos digitales y hacerlos más adecuados para el entrenamiento de la inteligencia artificial generativa.
Los optimistas en materia de gemelos digitales imaginan un día en que los gemelos digitales inteligentes serán omnipresentes en todos los niveles de complejidad, desde los objetos domésticos hasta el medio ambiente global. Si este nivel de transformación digital es realista, y mucho menos deseable, es un tema de debate, pero pocos cuestionarían que los gemelos digitales se han asegurado un papel en ese futuro.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un gemelo digital?
Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto físico que refleja con precisión el comportamiento de un objeto a lo largo de su ciclo de vida. Los sensores conectados al objeto proporcionan un gemelo digital con datos en tiempo real, por lo que los equipos pueden usar gemelos digitales para monitorizar un objeto, analizar su desempeño histórico y probar cómo responderá a diferentes condiciones. Los equipos pueden crear gemelos digitales de todo, desde piezas mecánicas hasta países enteros.
¿Cuáles son los tipos de gemelos digitales?
Los cuatro tipos principales de gemelos digitales son los gemelos de componentes, los gemelos de activos, los gemelos de sistemas y los gemelos de procesos.
¿Los gemelos digitales utilizan IA?
Los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático desempeñan un papel crucial en los gemelos digitales. Una vez que los sensores conectados a un objeto compilan y comparten datos en tiempo real con un gemelo digital, los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático analizan estos datos para identificar patrones y brindar información. Luego, los equipos pueden usar esta información para monitorizar el rendimiento de un objeto y realizar mejoras según sea necesario.
¿Son los gemelos digitales el futuro?
Los gemelos digitales son una señal de que en el futuro las empresas podrán mantener una visión general de los sistemas, supervisar los equipos, anticipar los problemas y tomar decisiones proactivas. Cuando se combinan con la IA generativa, los gemelos digitales tienen la capacidad de procesar volúmenes de datos aún mayores, lo que los hace especialmente útiles en sectores como la fabricación, la energía y la logística.
¿Cuáles son los riesgos de los gemelos digitales?
Los gemelos digitales podrían convertirse en blanco de ciberataques, ya que les darían a los piratas informáticos acceso a información detallada sobre equipos, flujos de trabajo y otros procesos comerciales.
En sectores como el de la atención médica, los gemelos digitales podrían violar las leyes de privacidad de datos y plantear problemas éticos si recopilan datos altamente sensibles, como información de salud de los pacientes. Las fallas en los datos compilados también pueden hacer que los gemelos digitales realicen predicciones inexactas, lo que deriva en demandas y otras consecuencias.
¿Es un gemelo digital solo una simulación?
No. Un gemelo digital es un modelo virtual y dinámico de un objeto que utiliza datos en tiempo real para capturar todos los detalles del objeto a lo largo de su vida útil, incluido su comportamiento actual, su desempeño anterior y los conocimientos obtenidos a través de pruebas y simulaciones. Una simulación se basa en conjuntos de datos predefinidos que no siempre se actualizan con datos en tiempo real y solo pueden predecir cómo se comportará un objeto en un escenario específico. Como resultado, las simulaciones son solo un aspecto de los gemelos digitales.
Conclusión
La transformación digital no es una palabra de moda, sino una declaración de principios. Para los equipos de I+D, los gemelos digitales no son un “juguete nuevo” ni un lujo, sino una pieza clave de la estrategia de transformación digital de una organización. Mientras las empresas apuesten su reputación por ofrecer productos de alta calidad a tiempo y sin salirse del presupuesto, el uso de gemelos digitales seguirá creciendo.
Al mismo tiempo, podemos decir con seguridad que apenas hemos arañado la superficie del potencial de la tecnología. La inteligencia artificial, el aprendizaje automático y otros avances seguirán ampliando los límites de los gemelos digitales más allá de nuestros sueños más descabellados. Es razonable suponer que, antes de que termine la década, todas las industrias utilizarán gemelos digitales (en una función u otra) para optimizar sus ciclos de vida de diseño, construcción y prueba.