世の中には本当にもう一人の「私」がいるのだろうか？デジタルツイン：私は

制作 |科学普及中国

著者 |海の塩漬け魚

プロデューサー |中国科学博覧会

「扁鵲三兄弟」の話を聞いたことがありますか？

魏の文王はかつて有名な医者である扁鵲に助言を求めたと言われています。「あなたには三人の兄弟がいて、皆医学が得意です。その中で最も優れているのは誰ですか？」扁鵲は言った。「一番上の兄が一番優秀で、二番目の兄はそれほど優秀ではなく、私は三人の中で一番劣っている。」魏の文王が困惑すると、扁鵲は言った。「長兄は病気になる前に薬を投与して根本原因を治します。次兄は病気がまだ出ていないうちに症状を治療します。私は病気が重症になった時に大手術をしたり、毒を使って毒を治療したりして、患者の症状を和らげたり早く治したりします。だから私は世界中に有名ですが、実は私の医術は一番下手です。」

この原則は産業界においても普遍的であり、事故が起こる前に隠れた危険を排除することで人々の生命と財産を最大限に保護することができます。

産業界には有名なハインリッヒの法則があります。産業安全技術者のハインリッヒは著書「産業事故防止」の中で次のように述べています。「1 件の重大な安全事故の背後には、29 件の軽微な事故と 300 件の潜在的な危険が潜んでいるに違いありません。」事故が起こる前に機会を捉えて不安全要因を早めに排除すれば、多くの重大な死傷者を防ぐことができます。

では、事故が起こる前に隠れた危険を解決できるのは誰でしょうか?デジタルツイン。

デジタルツインとは何ですか?

デジタルツイン技術の目的の一つは、事故が起こる前にそれを防ぐことです。

2012 年に NASA はデジタル ツインの概念的な説明を行いました。デジタル ツインとは、物理モデル、センサー、動作履歴、その他のデータを最大限に活用する、多分野にわたるマルチスケールのシミュレーション プロセスの統合を指します。仮想空間における物理製品のミラーとして機能し、対応する物理製品のライフサイクル全体を反映します。

この概念は複雑に思えるかもしれませんが、その適用例を見れば明らかになります。

航空機エンジンは航空機の重要な部品です。飛行の安全を確保するには、その安定性と正常な動作が極めて重要です。航空機エンジンメーカーは、エンジンの動作状態を効果的に検出するために、エンジンのデジタルツインを作成しました。

エンジニアはまず、コンピューター内にエンジンの正確な仮想コピーを作成します。次に、現実世界のエンジンにさまざまなセンサーを設置してデータを収集し、そのデータをコンピューター内のデジタルツインにリアルタイムで送信します。

このとき、仮想世界でエンジンを動かすだけで、現実世界の状況をシミュレートすることができます。長時間の仮想実行後、スタッフはエンジンの動作方法に関する情報を収集し、メンテナンスが必要な時期を把握できます。

エンジンはテスト中です。現実世界のすべての状況をシミュレートすることは不可能ですが、これはコンピューターでは問題になりません。画像出典：米国国立公文書館

このようにして、航空機エンジンの予防保守を実際に実行することができ、航空機のメンテナンスによる定期的なダウンタイムを大幅に削減できます。

それだけでなく、エンジニアはコンピューター内で実行しながら、現実世界ではシミュレートするのが難しいかもしれないさまざまな極端で予期しない条件下でのエンジンの動作をテストすることもできます。これにより、機械に対する理解が深まり、さまざまな条件下での信頼性が向上します。

デジタルツインはどこから来るのでしょうか?

デジタルツインが登場する以前から、現実世界のオブジェクトをコンピューターでモデル化して分析する技術はすでに存在し、非常に成熟してさまざまな分野で広く使用されていました。

デジタルツインはさまざまな分野で広く利用されています。この写真は、沖合石油プラットフォームのデジタルツインを示しています。画像出典: Wikipedia-SumitAwinash

例えば、工学分野で橋を建設する場合、最も強力な耐荷重効果を得るためには橋をどのように設計すればよいでしょうか?まず、シミュレーション ソフトウェアでモデルを構築し、そのモデルを継続的に最適化し、最適化されたモデルに基づいて実際に橋を建設します。

コンピュータシミュレーション技術は、デジタルツイン技術の出現の基盤です。デジタル ツインとシミュレーション モデルの違いは、デジタル ツインは進化的であるということです。デジタルツインは実物からさまざまな情報を継続的に受け取り、リアルタイムで状態を調整し、実物と一致する状態をリアルタイムで実現するよう努めます。

コンピューターは、デジタルツインから提供される情報に基づいて、物理世界のマシンの動作パラメータをリアルタイムで調整し、最適な動作状態を実現する指示を出します。画像出典: Deloitte University Press

私たちの生活にもっと関連のある別の例を挙げてみましょう。どの車のダッシュボードにもエンジンタコメーターがあり、レッドゾーンが設定されています。これは、エンジン速度がこの範囲に達すると、問題が発生する可能性が高いことを意味します。このレッドゾーンは、車の寿命を通じて変更されません。

しかし、現実には、それぞれの車の使用法は異なります。一部の車はメンテナンスが行き届いており、エンジン回転数がレッドゾーンに達しても問題はありません。一部の車は使用状況が悪いため、エンジン回転数がレッドゾーンに達する前に問題が発生します。

自動車のエンジンに、仮想世界のエンジンと同期して動作するデジタルツインを持たせることができれば、デジタルツインの動作に基づいてエンジンのレッドゾーンをリアルタイムで変更できるため、エンジン故障の可能性が大幅に低減します。

デビッド・ゲレンターは、1991 年の著書『Mirror Worlds』でデジタル ツインの概念を予見していました。 2011 年に、米国空軍研究所が初めてデジタル ツインについて明示的に言及しました。彼らは戦闘機のメンテナンスをデジタル化することを望み、デジタルツインが彼らの提案した解決策でした。

米空軍はF35戦闘機に多数のセンサーを搭載し、センサーが収集したデータを事前に構築したデジタルモデルに送信した。モデルはデータに応じてリアルタイムで変化し、戦闘機の実際の状態を正確にシミュレートします。

F35は現在世界中で広く使用されている新世代の戦闘機です。画像出典: イスラエル空軍

米国のゼネラル・エレクトリック社は、空軍のF35戦闘機のデジタルツインの開発を支援していた際、このコンセプトに非常に興味を持ち、将来に向けて研究への投資を続けました。 GM は 2018 年現在、自社が生産するすべてのエンジン、タービン、MRI のデジタル ツインを作成したと主張しています。

コンピュータの急速な発展により、物理的な実体から得られる膨大な量のデータを処理できるようになりました。機械学習と AI の登場により、非常に複雑な仮想モデルを構築できるようになりました。センサーの大量適用、高精度デジタルモデルの確立、物理エンティティと仮想モデル間のデータ相互作用が、デジタルツインの存在の基盤となります。

私たち自身のデジタルツインは存在するのでしょうか?

人間は一人ひとりがユニークであり、現代の製造組立ラインで生産される製品とは異なり、極めて複雑です。テクノロジーの発展に伴い、スマートヘルスケアの概念が提案され、ますます注目を集めています。

近年、人々の手首にスマートウォッチが登場しています。これらの時計は、心拍数や血液中の酸素含有量などの基本的な情報を検出できます。あまり長く座っていると、時計が立ち上がって歩き回るように知らせてくれます。運動中に心拍数が速すぎる場合も、時計が早期警告を発します。

現在では、機械学習の助けを借りて、コンピューターは顔写真から私たちの気分を判断できます。減量の過程で、携帯電話で写真を撮ることで、食べ物に含まれるカロリーを知ることができます。スマートウォッチは前夜の睡眠データを記録します。

ある意味、これは人間のデジタルツインの最も基本的なバージョンです。

スマートウォッチやその他のウェアラブルスマートデバイスは、人体に関する大量のデータを収集できます。画像ソース: pixabay

しかし、人体のシステムは巨大かつ複雑なため、上記のデータのみで人体の状態を正確に予測することはできません。より正確なデジタルツインを取得するには、分析のために大量のデータを収集する必要があります。これらには、人体環境の空気の質、照明条件、人体に投与されるワクチン、脳波、心電図、摂取する食物の種類と量などが含まれます。

現実の人間と同期して成長できるデジタルツインを作成することは、今日でも不可能な作業です。

それにもかかわらず、人々はヘルスケア分野におけるデジタルツインの明るい展望に依然として大きな自信を持っています。 2014年に「ライブハートプロジェクト」と呼ばれるデジタルツイン開発プロジェクトが発足しました。さまざまな業界の専門家や医療従事者は、人間の心臓のデジタルツインを作成することを望んでいました。

数年後、このプロジェクトは、医師があらゆる心血管疾患を再現し、安全に治療オプションをテストできる初の参照モデルを実現しました。一部の病院の医師は、このモデルを使用して、さまざまな患者に合わせた心臓手術の手順を計画しています。

いくつかの新しい医療方法は、現実でテストすると大きな害を及ぼす可能性がありますが、デジタルツインではそれを回避できます。

まず、一般的なモデルが確立されます。このモデルに基づいて、さまざまな患者の情報に応じて対応するパーソナライズされたモデルが確立されます。画像出典: 著者自作

COVID-19パンデミックが世界を席巻する中、研究者らは、ウイルスが人間の肺器官に及ぼす長期的な影響を理解するために、新たなデジタルツインプログラム「リビング・ラング・プロジェクト（LLP）」を立ち上げた。仮想空間と時間では、時間の流れを加速し、病気の長期的な影響を分析することができます。

画像出典: Wikipedia

かつては完全な旅客機のデジタルツインを構築することは不可能だと考えられていましたが、現在では航空機メーカーにとって当たり前のことになっています。現在、人体のデジタルツインの構築には依然として多くの特有の課題が残っていますが、科学技術の進歩のスピードがこれらの課題を克服すると人々は信じています。

デジタルツインは複雑で学際的な分野であり、数学、物理学、材料科学、コンピューターサイエンス、生物学はすべて重要な科目です。デジタルツイン研究分野に参入する研究者も増えており、都市計画やスマートファクトリー、バイオ医薬品などの分野でもデジタルツインが登場し始めています。近い将来、もう一人の「私」が現れるかもしれません。

参考文献

[1] Wei S. 人間のデジタルツインは可能か？[J] 2021年。

[2] Lv Q、Zhang R、X Sun、et al. COVID-19をきっかけとしたデジタルツイン駆動型ヒューマンロボット協働組立アプローチ[J]。製造システムジャーナル、2021(12)。

[3] コーエン B、フィリッポ SDS、ジェロエン VDH。医療におけるデジタルツイン：新たなエンジニアリングパラダイムの倫理的影響[J]。 Frontiers in Genetics、2018年、9:31-。

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[8]https://zhuanlan.zhihu.com/p/99249900

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin

[10]https://www.lockheedmartin.com/

[11]https://www.ge.com/digital/applications/digital-twin

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