Gemelli digitali, l’ultima frontiera di Industria 4.0

Approfondimento
Giusy Massaro
Industria 4.0
credit: pixabay

L’Industria 4.0 ha posto le basi per un sistema produttivo digitalizzato e flessibile e ha permesso alle imprese di essere più competitive ed efficienti. In Italia nel 2020 il settore ha raggiunto un valore di 4,1 miliardi di euro, con una crescita dell’8% e, secondo le stime, nel 2021 avrebbe raggiunto i 5 miliardi di euro (+12%). Si tratta di un comparto che, peraltro, non solo non ha risentito pesantemente della crisi pandemica ma i cui benefici, anzi, sono stati messi ancor più in evidenza dall’emergenza Covid. Ad esempio, è proprio grazie a Industria 4.0 che si è arrivati a produrre, nel periodo più critico della pandemia da coronavirus, componenti cruciali negli apparati di ventilazione polmonare come valvole e adattatori realizzati per via remota scambiando semplicemente un file e mettendo al lavoro una rete diffusa di stampanti 3D.

L’Industria 4.0 si basa fondamentalmente su quattro tecnologie innovative: Internet of Things, big data, machine learning e cloud computing. In particolar modo l’Internet of Things rende molto più semplice la produzione di moltissimi oggetti di uso comune. Grazie ai sensori presenti all’interno delle fabbriche sarà possibile raccogliere dati in tempo reale sulla produzione e analizzare cosa cambiare per migliorare gli oggetti o i servizi offerti. E per far ciò sarà necessario realizzare dei gemelli digitali.

MA COSA SI INTENDE PER GEMELLO DIGITALE?

Sebbene il nome faccia immediatamente pensare a una copia digitale degli umani, in realtà parliamo di una riproduzione virtuale di un processo o di un servizio reale realizzato attraverso i dati raccolti dai sensori. Può trattarsi di qualsiasi cosa, da un’auto a un macchinario industriale, a un aereo, a un ponte, a un edificio e così via. Grazie ai digital twin è possibile testare e capire come si comporteranno i sistemi e i prodotti che si vogliono realizzare in un’ampia varietà di ambienti attraverso lo spazio virtuale e la simulazione.

Un gemello digitale è, dunque, connesso al prodotto fisico attraverso vari sensori (posti su aree vitali) che producono dati su diversi aspetti delle sue prestazioni: la temperatura, l’energia utilizzata o prodotta, le condizioni meteorologiche eccetera. La loro analisi, combinata con altre fonti di informazione, permette di capire non solo il comportamento attuale del prodotto, ma anche quello futuro. Il flusso di dati tra il prodotto fisico e il suo gemello virtuale funziona a doppio senso: il gemello digitale riceve i dati dai sensori di cui è dotato il prodotto fisico, per poi restituire insight.

A livello ideale un digital twin contiene tutte le informazioni dell’oggetto fisico grazie alle quali è possibile sviluppare un’attività sperimentale, ad esempio l’ideazione di un prodotto, o un’attività predittiva, come nel caso della creazione di un processo, consentendo di prevedere in anticipo comportamenti anomali, rischi ed errori. Ma anche realizzare dei prodotti che rispecchino fedelmente le richieste degli utenti o cambiare la catena produttiva molto più velocemente rispetto al passato, risparmiando almeno il 50% del tempo e incrementando la produzione del 20%.

Più in generale, possiamo definire un gemello digitale come una tecnologia di convergenza multimediale che rappresenta una replica digitale di qualsiasi entità fisica, vivente e non. Sì, perché i gemelli digitali giocheranno un ruolo significativo anche in campo sanitario.

I CAMPI DI APPLICAZIONE: DALL’ENERGIA ALL’EDILIZIA…

Le potenzialità di questa tecnologia sono numerose. Ad oggi, i gemelli digitali vengono utilizzati principalmente nell’industria, ma cominciano a farsi largo anche nei più svariati comparti settoriali.

Nelle costruzioni, ad esempio, da un’iniziale gestione di singoli asset si è arrivati, oggi, al cosiddetto smart building, ossia un modello complesso di come le persone e i processi interagiscono con gli ambienti, mettendo insieme sistemi IT e OT, sensori IoT e dati di terze parti. I vantaggi sono molti: il gemello digitale segue tutte le modifiche dell’edificio reale e si adegua in maniera dinamica in caso di differenze di prestazioni registrate, consentendo a quel punto di prendere decisioni sulla base delle previsioni di performance generate con il gemello virtuale. Non solo, questo permette anche di gestire in modo efficiente i vari sistemi dell’edificio, oltre che di analizzare la risposta dinamica della struttura ai cambiamenti nell’occupazione o nella fornitura di energia.

Ed è proprio quello energetico l’ambito in cui le possibili applicazioni sono di più. Un esempio tra tutti riguarda i sistemi eolici: quando la turbina viene venduta, è associata a un gemello digitale così che il prodotto fisico possa comunicare con la sua copia virtuale e fornire dati sull’accensione, sulla velocità di rotazione delle pale, sulla potenza elettrica istantanea, sull’attrito (riscaldamento) dei diversi componenti e così via. Ciò si traduce in notevoli vantaggi in termini di manutenzione e controllo post-vendita. Inoltre, l’analisi dei dati permette di pianificare interventi di manutenzione predittiva e migliorare così il building nonché il comfort dei suoi occupanti.

…ALL’AUTOMOTIVE E L’HEALTHCARE

Costruire un gemello digitale di ogni auto realizzata permette di migliorare i prodotti e al contempo offrire una migliore assistenza ai clienti. I sensori di cui sono dotati gli autoveicoli trasmettono al gemello digitale presente in fabbrica i dati che vengono analizzati da algoritmi di intelligenza artificiale. In questo modo, grazie alle applicazioni di Industria 4.0, sarà garantita un’allocazione delle risorse più efficiente e un’esperienza utente decisamente migliore per il proprietario del veicolo: l’azienda può monitorare le prestazioni delle auto, verificare se funzionano correttamente o se hanno bisogno di manutenzione. Il tutto da remoto.

Non ultimo, il modello dei digital twin ha enormi potenzialità anche nel campo dell’assistenza sanitaria. Nello specifico, permette di elaborare terapie personalizzate alle caratteristiche e ai bisogni di ciascun paziente. Creare una replica digitale di una persona, con tutte le sue informazioni – Dna, patologie e particolari predisposizioni, storia familiare eccetera – permetterà in futuro agli specialisti sanitari di sperimentare sul gemello digitale del paziente diverse tipologie di trattamento – in modo del tutto sicuro – e scegliere la migliore terapia per il singolo. In quest’ambito il paradigma dei gemelli digitali è ancora in una fase embrionale. Un’applicazione attuale, tuttavia, è il suo utilizzo per simulare gli effetti di determinati farmaci o per la pianificazione e l’esecuzione di procedure chirurgiche. Creare un gemello digitale di un essere umano, inoltre, permetterebbe al personale sanitario di avere un quadro completo del paziente, indipendentemente dalla struttura e dal personale a cui si rivolge.

Le prospettive dell’Industria 4.0 sono importanti: secondo gli analisti, nel 2025 il mercato dei digital twin ammonterà a ben 35,8 miliardi di euro, quasi dieci volte il suo valore di sei anni prima.
Da un lato i vantaggi sono indubbi e sintetizzabili in un enorme miglioramento della capacità predittiva, dall’altro non ci sono limiti all’ambito di applicazione. Uno di questi è legato alla privacy, particolarmente rilevante in ambito sanitario (ma non solo). Ad esempio, le organizzazioni sanitarie, attraverso una raccolta di dati molto capillare, acquisiscono un ritratto dettagliato di informazioni biologiche, genetiche, fisiche e relative allo stile di vita di una persona. Tali dati personalizzati potrebbero essere utilizzati a beneficio dell’azienda anziché degli individui. Nel campo della sicurezza informatica, dove un gemello digitale è in grado di bloccare l’attaccante, il problema fondamentale è invece rappresentato dai falsi positivi – ossia, quando un comportamento del twin non corrisponde a uno del sistema reale – e falsi negativi, che si verificano quando il modello non riproduce un comportamento del sistema reale. Un caso, quest’ultimo, particolarmente pericoloso in quanto non permette di individuare situazioni di criticità.

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