La película Apolo 13 mostró al mundo la forma en la que los ingenieros de la NASA utilizaban un «gemelo terrestre» de la nave espacial dañada para idear una forma de traer de vuelta a los astronautas que se encontraban a bordo. Desde entonces, la noción de emparejamiento encarnada en el esfuerzo de ese rescate milagroso se ha desarrollado y vuelto más sofisticada. Su implementación tiene una naturaleza cada vez más virtual y, en última instancia, se ha convertido en la práctica conocida ahora como «gemelos digitales». Fue el Dr. Michael Grieves, de la Universidad de Míchigan, el primero que empleó el término «gemelo digital» (con respecto al trabajo de desarrollo de productos realizado en la NASA) en su libroVirtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management (Virtualmente perfecto: productos innovadores y ajustados en la gestión del ciclo de vida de los productos). Dicho de manera sencilla, los gemelos digitales son una representación virtual dinámica de un producto físico.
Definición de gemelo digital
Los abundantes datos procedentes de sistemas CAD 3D, que ofrecen un punto de partida para crear el gemelo digital de un producto real fabricado, proporcionan la base para el desarrollo de un modelo digital exacto y, de hecho, están disponibles mucho antes de la creación de una manifestación física. Sin embargo, a comienzos de la década del 2000, los mecanismos para capturar directamente la información sobre unidades individuales en el momento de la fabricación aún eran relativamente primitivos. Solo había disponibles cantidades limitadas de datos con los que caracterizar el modelo digital, a menudo en papel y recopilados manualmente. Más recientemente, la creciente adopción de sistemas de ejecución de fabricación (MES), que recopilan datos de una gran variedad de sensores, calibradores, instrumentos de medida de precisión, equipos de inspección, que es un vernier etc., ha permitido aumentar en gran medida la cantidad de información capturada a partir de los procesos de fabricación. La automatización de los procesos de recopilación, el almacenamiento y la organización de los datos permiten construir hoy modelos mucho más complejos y reproducir digitalmente las propiedades del producto físico con un grado de exactitud mucho mayor.
Democraticación
Lo último en tratamiento de la información, especialmente el Internet de las cosas (IdC) y el surgimiento de la informática en la nube de alto rendimiento y asequible, permite crear gemelos digitales de forma rentable que abarcan todo el ciclo de vida del producto, incluidas las operaciones diarias sobre el terreno. Además, la práctica se ha vuelto más accesible para empresas mucho más pequeñas que los grandes fabricantes de equipos originales (OEM) y las organizaciones respaldadas por el Gobierno que estuvieron entre los primeros en adoptar los gemelos digitales. Una mayor asequibilidad puede impulsar la aparición de casos de uso más imaginativos para mejorar el diseño, el plazo de lanzamiento, la gestión y el mantenimiento del producto, así como la experiencia del usuario final.
Mejora en la creación del producto
Los modelos exactos disponibles permiten a los fabricantes de productos estudiar los gemelos digitales para obtener información que puede aplicarse, a su vez, para mejorar numerosos aspectos de la creación del producto físico, como las características de diseño, los componentes seleccionados, la cadena de suministro y los procesos de fabricación utilizados. También se puede optimizar el desarrollo de nuevos productos y ahorrar tiempo y dinero mediante la construcción y la prueba de generaciones sucesivas de productos en un entorno virtual, pasando a la fabricación física solo cuando la última iteración del modelo digital cumple todas las especificaciones requeridas y está completamente optimizada en términos operativos. Como observó el propio Michael Grieves, mover píxeles es mucho más sencillo que mover átomos.
Verdadero mantenimiento predictivo
Los gemelos digitales se han aplicado de forma eficaz a productos con bajo volumen de producción que contienen gran número de piezas o que requieren mucho trabajo de configuración o ajuste. Entre los principales ejemplos podemos encontrar motores aeronáuticos o grandes turbinas de gas o vapor empleadas en centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles. La complejidad de este tipo de sistemas impide a los operadores calcular el momento óptimo para desconectar las unidades con el fin de llevar a cabo tareas de mantenimiento basándose en el análisis del tiempo medio entre fallos (MTBF).
El tiempo de inactividad no planificado es caro en el caso de la generación de energía eléctrica y crítico para la seguridad en el caso de los motores aeronáuticos, motivo por el que se lleva a cabo un mantenimiento convencional de forma rutinaria, normalmente con demasiada frecuencia, con el objetivo de sustituir las piezas vulnerables mucho antes del final de su vida útil. Sin embargo, y a pesar de su precio, este enfoque no puede prever cuándo fallará un componente determinado, lo que implica el riesgo permanente de que se produzca un corte inesperado y costoso. En cambio, los gemelos digitales, que pueden aprovechar grandes cantidades de datos procedentes de los sensores de sus contrapartidas físicas para crear aplicaciones exactas de software predictivo, ofrecen un mantenimiento más rentable basado en el estado real que tiene en cuenta un gran número de parámetros relacionados con las condiciones operativas existentes. Estos parámetros pueden dictar que los equipos expuestos a un uso intensivo, a breves sobrecargas o a riesgos ambientales (como un motor aeronáutico expuesto a grandes cantidades de ceniza volcánica en una ruta específica un día concreto) necesitan mantenimiento antes de lo recomendado en la programación estándar, lo que refuerza la seguridad y aumenta la rentabilidad gracias a la reducción del tiempo de inactividad no planificado. Por otra parte, si los datos indican un desgaste menor del habitual (debido, por ejemplo, a niveles de actividad menores de lo esperado), los intervalos de sustitución pueden ampliarse, lo que reduce el tiempo de inactividad rutinario sin comprometer la calidad del servicio ni aumentar el riesgo de fallo.
Gestión más precisa de activos remotos
La supervisión rentable de activos remotos es otra de las principales ventajas de los gemelos digitales. La creciente presión asociada al uso de fuentes de energía renovables ha dado lugar a la construcción de parques eólicos. Los parques eólicos suelen ubicarse en lugares remotos, en zonas costeras o en el mar, para aprovechar las condiciones de viento favorables. El clima en esos lugares puede ser extremo, y si, por ejemplo, se sospecha que una tormenta ha producido daños, los gastos (por no mencionar los retrasos) que supone enviar a un equipo de técnicos para comprobar el estado de las turbinas u otros equipos pueden ser altos. Disponer de un gemelo digital de cada recurso del parque eólico, enriquecido con datos en tiempo real procedentes de un gran número de sensores instalados en las turbinas y en otras infraestructuras físicas, permite a los expertos evaluar el estado (por ejemplo, debilidades estructurales o daños en el equipo eléctrico) rápida y detalladamente para determinar el mejor modo de proceder. Puede incluso que resulte posible solucionar algunos problemas de forma remota. O, si se considera necesaria una visita a las instalaciones, se puede enviar la información necesaria de antemano al equipo apropiado y dotarlo de lo necesario para realizar su tarea, lo que evita el coste de realizar varias visitas. Los gemelos digitales también son valiosos en condiciones operativas normales. Aplicar datos de configuración y rendimiento obtenidos en tiempo real a un gemelo digital permite ajustar cada turbina física para optimizar su eficiencia y su fiabilidad.
Mejores experiencias de cliente
Los efectos democratizadores del IdC y la informática en la nube permiten aplicar el concepto de los gemelos digitales de forma más comercial. Los proveedores de equipos, como los de automatización de la fabricación, por ejemplo, pueden utilizarlo para ofrecer experiencias a los clientes superiores a las ventajas del mantenimiento estándar basado en el uso. Un gemelo digital de cada máquina de la flota de un cliente puede facilitar información que el proveedor puede utilizar internamente para el futuro desarrollo de productos y le ofrece la oportunidad de compartir consejos individualizados con los usuarios, como formas de modificar el comportamiento del operador para conseguir mejoras, aumentar el rendimiento o reducir al mínimo el desgaste del equipo o el consumo de energía.
El futuro de los gemelos digitales
Históricamente, los gemelos digitales se han ejecutado en potentes plataformas industriales de Internet, como Predix, de GE. Más recientemente, la colaboración de GE y Microsoft para integrar Predix en Azure Cloud de Microsoft y la aparición de plataformas como el software como servicio (SaaS) SAP Predictive Engineering Insights prometen mejorar en gran medida la accesibilidad y la escalabilidad de la tecnología de los gemelos digitales, lo que, a su vez, permitirá aprovechar la inteligencia artificial en la nube para ejecutar numerosos escenarios hipotéticos. Sobre la base de este planteamiento, los gemelos digitales han pasado de ser un concepto perteneciente al campo de la creatividad y usado por primera vez en el sector espacial a convertirse en una apasionante herramienta con un gran atractivo comercial. La empresa de análisis Gartner lo ha situado entre las10 tendencias tecnológicas estratégicas de 2018, y prevé que miles de millones de cosas tendrán gemelos digitales a principios de la próxima década.
Según un informe de Research and Marketsel 75% de los ejecutivos encuestados piensan incorporar gemelos digitales antes de 2020.IDC, por su parte, prevé que, de media, las empresas reducirán un 30% la duración de los ciclos de procesos críticos gracias a la inversión en tecnología de gemelo digital. En un momento en el que las organizaciones se esfuerzan por transformarse digitalmente, un gemelo digital puede presentar un modelo virtual de un proceso, un producto o un servicio para abarcar numerosas funciones, entre las que se incluye facilitar la planificación empresarial, proporcionar un banco de pruebas para la experimentación digital u ofrecer un plan de mejora futura. Las aplicaciones abarcan todo el ciclo de vida, por lo que su ámbito irá más allá de la fabricación y se extenderá a infinidad de sectores, como los edificios inteligentes, el cuidado de la salud, la gestión ambiental, la exploración petrolera y de gas, y las ciudades inteligentes.
