Dietro il modello Digital Twin, ampiamente adottato dalle aziende più innovative a livello globale, risiede un principio fondamentale: l’attuale evoluzione tecnologica si distingue per la transizione dagli “atomi” ai “bit”. Le motivazioni economiche di questa tendenza risiedono nel minor costo dei bit, sia in termini di “archiviazione” che di elaborazione e trasmissione. Quando le operazioni possono essere eseguite sui bit anziché sugli atomi, le imprese optano per questa soluzione.
Il Digital Twin, ovvero il “gemello digitale”, rappresenta repliche virtuali di sistemi fisici. Questi gemelli digitali vengono impiegati per testare e comprendere il comportamento dei sistemi e dei prodotti che un’azienda intende sviluppare. A tal fine, vengono utilizzati ambienti e simulazioni digitali e virtuali.
Dallara
Invece di sviluppare prototipi di scocche fisiche e testarli in gallerie del vento o altri laboratori tradizionali, crea modelli digitali dettagliati e su questi esegue tutte le prove e le simulazioni necessarie per raggiungere un progetto soddisfacente. Quando il modello virtuale è pronto e ottimizzato, si utilizzano vari tipi di macchinari avanzati, come stampanti tridimensionali e robot, per convertire i dati digitali in componenti fisici, trasformando così i bit in atomi e ottenendo il prodotto desiderato. Questo approccio rende l’intero processo di progettazione molto più rapido ed efficiente, consentendo di eseguire test e simulazioni che sarebbero complicati o impossibili su un mock-up fisico. Inoltre, diventa estremamente veloce provare soluzioni diverse, modificare forme e materiali e valutare strutture alternative, il tutto operando esclusivamente con modelli digitali.
Il passare da atomi a bit richiede competenze diverse, i progettisti sono, o vengono affiancati, da matematici specializzati e non facili da reperire. Inoltre, cambia il processo di progettazione, sviluppo e produzione . Occorre una nuova azienda.
Non si ferma qui. Un prodotto è un insieme di diverse componenti, solitamente create da aziende differenti. Perché non estendere l’idea di usare bit anziché atomi a tutte le imprese coinvolte nella filiera? Anche se alla fine ciascuna azienda dovrà realizzare e fornire un oggetto fisico, le fasi di progettazione potrebbero basarsi esclusivamente sui bit.
Una società sviluppa il proprio modello e lo consegna a un’altra azienda che lo integrerà nel proprio modello esistente o lo farà interagire con esso. Questo processo continua fino a raggiungere l’azienda responsabile dell’assemblaggio di tutti i componenti. Quella società simulerà l’operazione utilizzando i vari modelli ricevuti. Questo potrebbe sembrare fantascienza, ma è una realtà consolidata.
Boeing
Utilizza questo metodo per progettare i suoi aerei, iniziando con il modello 777. I fornitori di Boeing ricevono le specifiche digitali delle parti con cui i loro componenti dovranno interfacciarsi, che si tratti di un semplice rivetto o di un sofisticato sistema di gestione del volo. A loro volta, i fornitori forniscono a Boeing una rappresentazione digitale del componente futuro. Boeing poi integra questi componenti a livello digitale, esegue test rigorosi e simulazioni dettagliate. Solo quando è del tutto soddisfatta che tutto funzioni perfettamente, Boeing dà il via alla produzione, tanto per se stessa quanto per i suoi fornitori
Il modello in “bit” può anche essere utilizzato per fare test di durata, ad esempio per valutare l’usura di certe parti. Questi test possono essere eseguiti accelerando lo scorrere del tempo in modo da valutare in alcune ore anni e anni di operatività. In caso in cui si presenti un problema il tempo può essere “rallentato” per permettere al progettista di osservare quello che succede in intervalli di secondi o anche millisecondi, come guardare un film al rallentatore.
E’ facile capire l’utilità di passare a una progettazione e a uno sviluppo basati sui bit. Questo, però, non è che l’inizio di un nuovo modo di concepire un prodotto, sia da parte di chi lo produce sia da parte di chi lo utilizza. Benvenuti nel mondo dei Digital Twin.
General Electric
La General Electric da alcuni anni ha esteso l’utilizzo del modello fatto in bit delle sue turbine (sia quelle che sono utilizzate nei sistemi eolici sia quelle che operano nei motori dei jet più moderni come il Boeing 787) alla loro manutenzione e controllo.
Quando la turbina viene venduta, viene associata ad un modello in bit che da quel momento sarà specifico di quella turbina, un gemello digitale, un digital twin.
La turbina fatta di atomi, il prodotto, contiene una varietà di sensori che in tempo quasi reale comunicano con la turbina virtuale, informandola dell’utilizzo in corso. Ad esempio, nel caso di pale eoliche, verrà segnalata l’accensione, la velocità di rotazione delle pale, la potenza elettrica istantanea, l’attrito (riscaldamento) dei diversi componenti e così via.
Stesso discorso per la turbina di un motore di aereo (qui i parametri segnalati saranno molti . Il prodotto, contiene una varietà di sensori che in tempo quasi reale comunicano con la turbina virtuale, informandola dell’utilizzo in corso. Ad esempio, nel caso di pale eoliche, verrà segnalata l’accensione, la velocità di rotazione delle pale, la potenza elettrica istantanea, l’attrito (riscaldamento) dei diversi componenti e così via.
Stesso discorso per la turbina di un motore di aereo (qui i parametri segnalati saranno molti di più, ovviamente). Tanto per dare un’idea, 20 anni fa un aereo generava circa 1kB di informazioni per ogni volo, registrando lo stato dell’aereo 3 volte per ogni volo, stato basato su una trentina di parametri. Oggi un aereo di ultima generazione genera per ogni volo 500GB di dati, con lo stato aggiornato ogni secondo e basato su circa cinquemila parametri (dati forniti da General Electric).
Questi stati vengono inviati in tempo quasi reale (ogni minuto o ogni 3 minuti a seconda dell’area in cui sta volando l’aereo) e consentono da un lato di simulare la situazione operativa da parte del digital twin e dall’altro di rilevare difformità di funzionamento tra il digital twin e la turbina fatta di atomi (quella che vola!). Dato che il digital twin opera secondo i dati di progetto una difformità significa che qualcosa non va nella turbina reale. A questo punto scattano dei meccanismi di controllo per identificare il problema (ad esempio cosa stia causando un surriscaldamento) e quindi per porvi rimedio (ad esempio diminuire la richiesta di potenza al motore provvedendo ad aumentare, se possibile, quella dell’altro motore ribilanciando l’aereo per far fronte ad una spinta asimmetrica).
L’azienda che crea dei digital twin (la General Electric ne ha operativi oltre 550.000 a fine 2017) si apre uno spazio di business basato sulla offerta di servizi. Infatti fornisce un monitoraggio dell’operatività del prodotto e può spesso intervenire per porre rimedio a problemi o comunque suggerire interventi tempestivi di manutenzione.
Dal punto di vista dell’azienda, la capacità di monitorare i prodotti durante il loro utilizzo consente di verificarne le funzionalità e il modo in cui vengono impiegate. In pratica, permette di proseguire il testing in situazioni di uso reale e di affinare continuamente il prodotto. Dato che oggi ogni prodotto include una componente software significativa, l’azienda può modificare il software e aggiornare il prodotto (o offrire un aggiornamento a pagamento quando vengono apportati miglioramenti) in tempo reale.
Tesla
La Tesla riceve informazioni dalle sue auto ogni giorno: centinaia di migliaia di auto comunicano dove stanno viaggiando, gli ostacoli identificati lungo il percorso, il funzionamento del motore. Ogni giorno Tesla riceve l’equivalente di oltre 2 milioni di Km percorsi, sommando i contributi di tutte le auto. Questa enorme mole di dati consente di costruire una mappa costantemente aggiornata delle strade e di verificare la presenza di malfunzionamenti “strutturali”, cioè dipendenti dalla progettazione e che quindi coinvolgono molte vetture. Anche nel caso della Tesla ogni auto ha un suo “digital twin” costantemente aggiornato.
Un gemello digitale funziona replicando digitalmente una risorsa fisica nell’ambiente virtuale, comprese le sue funzionalità, caratteristiche e comportamento. Una rappresentazione digitale in tempo reale della risorsa viene creata utilizzando sensori intelligenti che raccolgono dati dal prodotto.