Digital Twin: tutti i vantaggi di un’innovazione senza fine

Digital Twin: tutti i vantaggi di un’innovazione senza fine

Alla scoperta dei Gemelli Digitali, delle tecnologie che li supportano e di chi si servirà del più stimolante modello esistente di simulazione

Un collage di confronto fra “Gemello Digitale” dell’Oratorio di San Giorgio di Padova e il corrispettivo Gemello Digitale
Un collage di confronto fra “Gemello Digitale” dell’Oratorio di San Giorgio di Padova e il corrispettivo Gemello Digitale

Il Digital Twin o Gemello Digitale identifica la perfetta replica di un oggetto fisico in formato digitale, sia esso un prodotto, un processo oppure un sistema.
Il Digital Twin, la cui paternità appartiene a Michael Vickers, compare per la prima volta nel 1970 in occasione dell’utilizzo simultaneo da parte della NASA di quindici computer per creare le simulazioni che guidarono l’equipaggio dell’Apollo 13 nell’operazione di recupero spaziale.
La prima applicazione software a livello industriale si deve, invece, a Michael Grieves, che nel 2002 presentò il Gemello Digitale come modello concettuale alla base del ciclo di vita di un prodotto.
Nel Digital Twin ogni dato, informazione del mondo reale viene riprodotta fedelmente in quello virtuale in modo da creare una coppia di gemelli perfettamente identici.
Questi due sistemi, attraverso l’uso di diverse e specifiche tecnologie, possono anche comunicare ed interagire scambiandosi informazioni e aiutandosi vicendevolmente lungo tutto il ciclo di vita del prodotto o del sistema, dalla fase di creazione, produzione a quella di funzionamento e monitoraggio.

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Così un notevole risparmio di tempo, rischio e soldi

Il Gemello Digitale può nascere prima o dopo l’oggetto reale. Quando viene creato prima del prodotto fisico consente di svolgere un’importante attività preventiva.
Si pensi ad esempio alla fase d’ideazione di un prodotto e/o sistema. Disporre di un Digital Twin che simula ed anticipa i comportamenti del futuro prototipo fisico vuol dire realizzare un prodotto funzionale con un notevole risparmio di tempo, rischio e soldi.
Inoltre, una volta nato il sistema o prodotto materiale non viene abbandonato dal suo Gemello Digitale, che diversificherà le proprie funzioni svolgendo un’attività predittiva e di monitoraggio del suo comportamento al fine di ottimizzarne le prestazioni, risolvere eventuali problemi oppure realizzare altri e diversi servizi.
Se, invece, l’oggetto è già esistente si può creare, con gli strumenti tecnologici più moderni, un gemello preciso e dettagliato costruito su dati e su cui è possibile agire con i diversi sistemi d’intelligenza artificiale per realizzare ogni processo funzionale alle diverse utilità dell’oggetto fisico.

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Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un'entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)
Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un’entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)

Che cosa caratterizza i Digital Twins o Gemelli Digitali?

Il Digital Twin consente, innanzitutto, di seguire l’oggetto o processo durante tutto il suo ciclo di vita interagendo con esso.
Nella maggior parte delle simulazioni la modellazione dell’oggetto reale viene fatta sulla sua esteriorità, è possibile vedere soltanto le caratteristiche esterne (ad esempio i Virtual Tour).
Nel Digital Twin, invece, la modellazione viene realizzata non soltanto sull’esteriorità, ma consente di entrare all’interno dell’oggetto e, quindi, di conoscere, estrarre ed utilizzare ogni suo elemento particolare, ad esempio: misurazioni, materiali, strutture e tanti altri elementi.
Inoltre, si possono inserire tutte le informazioni che riguardano l’oggetto, ad esempio notizie sull’origine, provenienza dei materiali, dati storici, eccetera, nonché fare una modellazione che sia funzionale al suo utilizzo nel mondo di Internet.

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Quante differenze con la “statica” ricostruzione 3D…

Il Gemello Digitale si differenzia, poi, dalla ricostruzione 3D, che fornisce una rappresentazione statica del modello fisico, per il fatto di essere dinamico grazie alla possibilità di scambiare dati in tempo reale con la controparte fisica mediante l’utilizzo dei sistemi dell’IoT (Internet of Things).
Ma l’aspetto più innovativo del Gemello Digitale sta nel fatto che una volta creato offre l’opportunità di sfruttare la moltitudine delle informazioni in esso contenute per realizzare ed attivare servizi innovativi.
Ad esempio le attività della realtà aumentata presuppongono necessariamente la realizzazione preventiva di un soggetto che è stato modellizzato, quindi di un Digital Twin nel quale sarà poi possibile operare e sperimentare.
Gli algoritmi dell’intelligenza artificiale necessitano, invece, di un modello esistente per elaborare i vari processi. E così via.

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I "gemelli digitali" elaborati dall'EMPA e dall'Università di Berna per migliorare le cure
I “gemelli digitali” elaborati dall’EMPA e dall’Università di Berna per migliorare le cure

Quali sono le tecnologie a supporto di questo concetto?

I sistemi tecnologici a supporto dei Digital Twins o Gemelli Digitali sono i più vari, ma soprattutto hanno compiuto un salto di qualità notevole negli ultimi anni. Vale pertanto la pena elencarli in maniera puntuale e precisa…
Laser scanner 3D, scansioni LIDAR (Laser Detection and Ranging), telecamere ad altissima risoluzione per la modellazione dell’oggetto attraverso il rilevamento e la raccolta di punti collocati nello spazio digitale, la cosiddetta nuvola di punti;
software di simulazione e Big Data;
Cloud, luogo dove è domiciliato il Gemello Digitale;
Internet of Things, ossia tutti gli oggetti che possono scambiare e connettere dati ad altri dispositivi e sistemi su Internet. ll Digital Twin è la base dell’IoT, mentre l’Internet of Things è lo strumento di collegamento tra l’oggetto fisico e quello virtuale.

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Seraina Schudel, ricercatrice presso la sede EMPA di San Gallo
Seraina Schudel, ricercatrice presso la sede EMPA di San Gallo, durante gli studi sullo spreco alimentare

Come è il futuro e quali settori ne trarranno vantaggio?

Il Digital Twin con le sue diverse applicazioni costituisce una fetta di mercato sempre più emergente.
Secondo le previsioni di Markets and Markets, nel 2020 il mercato globale del Gemello Digitale ha prodotto numeri intorno ai 3,1 miliardi di dollari e si stima che entro il 2026 raggiungerà 48,2 miliardi di dollari.
L’applicazione del Gemello Digitale, inizialmente limitata a quella aerospaziale ed industriale (engineering, manufacturing, aerospace, energia, eccetera), si sta estendendo in ogni ambito che ne ha saputo individuare e sfruttare le enormi potenzialità.
Nel 2019 il settore dell’automotive ha rappresentato la quota più ampia del mercato dei Digital Twins, mentre negli ultimi due anni la crescita è stata legata particolarmente al settore sanitario e farmaceutico a causa della pandemia da COVID-19.
I Gemelli Digitali sono utilizzati dalle industrie sanitarie e farmaceutiche per il monitoraggio della salute del paziente e per studiare i cambiamenti della vita quotidiana avvenuti a causa del virus.
Il potenziale del Digital Twin investirà in misura preponderante tutti i settori diretti ad offrire servizi efficienti e a migliorare la qualità della vita delle persone.
L’evoluzione logica delle città intelligenti (“smart cities”) sarà legata anche alla capacità di sviluppare gli Urban Digital Twins, ossia Gemelli Digitali di supporto alla governance territoriale che siano in grado di pianificare preventivamente l’evoluzione completa di una città, dei servizi offerti, di prevenire ed aggiustare problemi prima ancora che si trasformino in criticità irreparabili.

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Dalla città al territorio in un’insistente “gemellizzazione”

Ampliando lo sguardo dalla città al territorio, si potrebbero utilizzare i Gemelli Digitali per ipotizzare la nascita di Land Digital Twin (LDT) ovvero l’accompagnamento alla costruzione di vere e proprie smart land in grado di pianificare, sviluppare e migliorare la vita anche in contesti extraurbani.
La riqualificazione territoriale, inoltre, sta cominciando ad avere un approccio aperto all’innovazione tecnologica per tutto ciò che riguarda le attività di recupero, costruzione, ristrutturazione e vendita degli immobili.
I vantaggi derivanti dall’utilizzo di un Gemello Digitale sono molteplici e coinvolgono diversi soggetti.
Il Digital Twin consente di immaginare, pianificare, vedere, correggere il futuro edificio, di conservarne la memoria storica, di monitorare in tempo reale, attraverso l’Internet of Things, il suo stato per ottimizzare la qualità della vita degli abitanti, ridurre i costi ed intervenire per eliminare criticità e/o programmare interventi di manutenzione.
Il fabbricato virtuale, in aggiunta, potrà essere visitato dettagliatamente da remoto agevolando l’incontro tra la domanda ed offerta di immobili.

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Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un'entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)
Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un’entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)

Atout nella valorizzazione del patrimonio storico-culturale

Nell’ambito della conservazione e valorizzazione del patrimonio storico-culturale il Digital Twin può essere uno strumento d’aiuto davvero fondamentale, attualmente poco utilizzato.
Tutte le opere hanno una vita che risente non soltanto del trascorrere naturale del tempo, ma anche dell’accelerazione imposta dall’inquinamento ambientale, da eventuali catastrofi naturali o provocate dall’uomo.
Tutelare il bene culturale per trasmetterlo alle generazioni future affinché ne possano godere e fruire è un obbligo morale.
Il Gemello Digitale dei beni culturali consente di cristallizzare fedelmente il bene nello stato in cui ci è giunto. Per di più mette a disposizione una serie di informazioni che possono essere utilizzati da studiosi ed esperti per gli usi più opportuni (condurre esperimenti, studio del bene, attività di restauro e conservazione, eccetera).
L’ulteriore flusso continuo di dati ed informazioni (arricchito con l’uso di sensori) consente anche il monitoraggio e il controllo di diversi aspetti, ad esempio gli effetti della luce e del suono, i livelli di CO2, di umidità e deterioramento del materiale, la ventilazione, gli effetti della presenza dei visitatori sullo stato del bene, eccetera.
Anche in archeologia, dove la maggior parte delle attività di ricerca non sono reversibili, si può utilizzare il Digital Twin: ad esempio, per simulare il sito di scavo che resterà immutabile e su cui potranno lavorare simultaneamente archeologi e tecnici finanche da luoghi diversi.
Il Digital Twin è altresì uno strumento per la promozione e valorizzazione del bene culturale, oltre ad essere un prezioso strumento di conservazione e studio per i diversi esperti e studiosi, può essere utilizzato anche come base per i Virtual Tour e, quindi, per consentire ai visitatori virtuali di conoscerlo in maniera più immersiva.

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La Veneranda Arca di Sant’Antonio riferimento UNESCO

Nell’ambito delle azioni promosse dal comitato di pilotaggio dei siti affrescati del Trecento, inseriti nella World Heritage List dell’UNESCO, la Veneranda Arca di Sant’Antonio ha promosso e realizzato il Digital Twin dell’Oratorio di San Giorgio di Padova.
Tale modellizzazione, attraverso più Digital Twins, è ben descritta in un video pubblicato sul canale YouTube di geolander.it.
Il presidente capo della Veneranda Arca, Emanuele Tessari, cogliendo le opportunità del Digital Twin ha esattamente spiegato che: “la realizzazione del modello digitale non soltanto fornirà un prezioso strumento di conservazione e studio dell’edificio, mettendo a disposizione di esperti, studiosi e ricercatori i dati georeferenziati del bene, ma sarà anche un importante strumento per la sua promozione e valorizzazione, consentendo ai visitatori virtuali di entrare al suo interno e goderne della sua magnifica bellezza”.

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L’App “MyFruitTwin” è stata sviluppata dai ricercatori dell’EMPA, i Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali

Obiettivo UE: digitalizzare i monumenti entro il 2030…

La Commissione Europea ha pubblicato una Raccomandazione su uno spazio di dati europeo comune per il patrimonio culturale, invitando gli Stati membri ad accelerare la digitalizzazione entro il 2030 di tutti i monumenti, siti, oggetti e manufatti del patrimonio culturale, auspicando che almeno il 50 per cento di quelli più visitati siano digitalizzati in 3D. Meglio ancora se riportati in un Gemello Digitale, è la nostra raccomandazione.
Le grotte di Lascaux, in Francia, sono un chiaro esempio della necessità di disporre di un gemello. In questo caso è creato un doppio “fisico”.
Le grotte, infatti, dal 1983 chiuse al pubblico, dopo che le emissioni di anidride carbonica, l’aumento della temperatura provocate dalle visite, l’illuminazione artificiale cominciarono a provocare la diffusione di una colonia di alghe sulle pareti, minacciando le preziose pitture risalenti al Paleolitico Superiore, hanno la propria replica fisica della sala dei tori e della galleria dipinta.
Josh Billings, quando scriveva che “ci sono due cose nella vita per le quali non saremo mai preparati: i gemelli”, ignorava, naturalmente, che in un tempo abbastanza distante dal suo sarebbero arrivati i Gemelli Digitali.
Probabilmente avrebbe sarcasticamente osservato che “le occasioni sono rare; e quelli che sanno coglierle sono ancora più rari”.
Nel caso del Digital Twin pare che in molti abbiano deciso, invece, di approfittare di questa innovativa opportunità…

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Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un'entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)
Un Gemello Digitale o Digital Twin è la rappresentazione virtuale di un’entità fisica, vivente o non vivente, di una persona o di un sistema anche complesso: la componente “digital” è in qualche modo connessa con la parte “physical”, con la quale può scambiare dati e informazioni, sia in modalità sincrona (in tempo reale), che asincrona (in tempi successivi)