¿Qué es un gemelo digital?
Un gemelo digital es una representación virtual, una simulación realista de la física y los materiales de un activo o sistema físico del mundo real, que se actualiza continuamente.
Los gemelos digitales no son solo para personas y objetos inanimados. Pueden ser una representación virtual de la arquitectura de redes informáticas utilizada como caja de arena para simulaciones de ciberataques. Pueden, también, replicar el proceso de un centro logístico para probar las interacciones entre humanos y robots antes de activar determinadas funciones del robot en entornos reales. Las aplicaciones son tan amplias como la imaginación.
En definitiva, los gemelos digitales están revolucionando las operaciones de las empresas en todo el mundo, siendo el COVID 19 un catalizador para la adopción de gemelos digitales en industrias específicas.
¿Qué está impulsando a los gemelos digitales?
El internet de las cosas (IoT – Internet of Things) está acelerando a los gemelos digitales, ayudándoles a compartir datos con las máquinas y dispositivos conectados y viceversa. Esto se debe a que los gemelos digitales son versiones simuladas por ordenador, siempre activas y actualizadas, de las cosas o procesos físicos conectados al IoT del mundo real que representan.
Los gemelos digitales son representaciones virtuales que pueden captar la física de las estructuras y las condiciones cambiantes internas y externas, medidas por una miríada de sensores conectados impulsados por la computación de borde. También pueden ejecutar simulaciones dentro de las virtualizaciones para probar los problemas y buscar mejoras a través de las actualizaciones del servicio.
El desarrollo de la robótica y los vehículos autónomos son solo un par del creciente número de ejemplos utilizados en los gemelos digitales para imitar equipos y entornos físicos.
«Los vehículos autónomos a un nivel muy simple son robots que operan en el mundo abierto, esforzándose por evitar el contacto con cualquier cosa», afirma Rev Lebaredian, vicepresidente de tecnología de Omniverse y Tecnología de Simulación de NVIDIA. «Con el tiempo, tendremos sofisticados robots autónomos que trabajarán junto a los humanos en diferentes entornos, como una cocina, manipulando cuchillos y otras herramientas peligrosas. Necesitamos gemelos digitales de los mundos en los que se va a operar, para poder enseñar de forma segura en el mundo virtual a los robots antes de transferir su inteligencia al mundo real».
Gemelos digitales en entornos virtuales 3D
Los mundos virtuales 3D compartidos están reuniendo a la gente para colaborar en gemelos digitales.
El universo virtual 3D interactivo se hace muy evidente en los juegos. Juegos sociales en línea como el Fortnite y el mundo virtual generado por los usuarios de Roblox ofrecen una visión del potencial de las interacciones.
Las videoconferencias en Realidad Virtual (RV), con participantes que existen como avatares de sí mismos en una sala de conferencias virtual compartida, son un paso hacia la realización de las posibilidades para la empresa.
Actualmente, existen herramientas para desarrollar cada uno de estos mundos virtuales compartidos en una plataforma de colaboración virtual compartida dentro de este entorno.
Omniverse Replicator para simulaciones de gemelos digitales
En la GTC organizada el pasado noviembre, NVIDIA presentó Omniverse Replicator para ayudar a desarrollar gemelos digitales.
Omniverse Replicator es un motor de generación de datos sintéticos que produce datos simulados físicamente para entrenar redes neuronales profundas.
Además, la compañía presentó dos implementaciones del motor para aplicaciones que generan datos sintéticos: NVIDIA DRIVE Sim, un mundo virtual para albergar el gemelo digital de los vehículos autónomos y NVIDIA Isaac Sim, un mundo virtual para el gemelo digital de los robots de manipulación.
Los vehículos y robots autónomos desarrollados con estos datos pueden dominar habilidades en una serie de entornos virtuales antes de aplicarlas en el mundo real.
Basado en la descripción de escena universal de Pixar y la tecnología NVIDIA RTX, NVIDIA Omniverse es la primera plataforma de simulación escalable y físicamente precisa para múltiples GPU’s.
Omniverse ofrece a los usuarios la posibilidad de conectarse a múltiples ecosistemas de software, como Epic Games Unreal Engine, Reallusion, OnShape, Blender y Adobe, que pueden ayudar a millones de usuarios.
La plataforma de desarrollo de referencia es modular y puede ampliarse fácilmente.
Los equipos de NVIDIA han recurrido a la plataforma para crear aplicaciones de simulación básicas, como la ya mencionada NVIDIA Isaac Sim, para robótica y generación de datos sintéticos; NVIDIA DRIVE Sim, que permite recrear escenarios de conducción del mundo real en un entorno virtual para poder probar y desarrollar casos de uso poco frecuentes y peligrosos. Además, como el simulador conoce a la perfección la verdad del terreno en cualquier escena, los datos del simulador pueden utilizarse para entrenar las redes neuronales profundas utilizadas en la percepción de los vehículos autónomos; NVIDIA Metrópolis para análisis de vídeo inteligente; y el kit de desarrollo de software NVIDIA Aerial, que lleva a los entornos las redes de acceso inalámbrico 5G aceleradas por la GPU y definidas por software, así como el software de terceros para que los usuarios y las empresas puedan seguir utilizando sus propias herramientas.
¿Cómo se conectan los gemelos digitales?
La implementación de la IA de los gemelos digitales en el mundo real requiere una plataforma de despliegue para manejar las actualizaciones de todas las máquinas y dispositivos.
Por ello, NVIDIA Fleet Command permite que los centros logísticos, las fábricas, los minoristas y muchos otros implementen actualizaciones de IA de forma remota.
¿Cómo están avanzando los gemelos digitales?
Los gemelos digitales permiten la autonomía de las cosas. Pueden utilizarse para controlar de forma autónoma un homólogo físico.
Por ejemplo, un fabricante de coches eléctricos puede utilizar un gemelo digital para realizar simulaciones de software. Cuando estas simulaciones muestren mejoras en el rendimiento del coche o resuelvan un problema, pueden enviarse al vehículo físico.
Passive Logic (startup) ofrece una plataforma de IA para diseñar y operar de forma autónoma los componentes de IoT de los edificios. Su motor de IA entiende cómo funcionan los componentes del edificio y puede realizar simulaciones de los sistemas del mismo. La plataforma puede tomar múltiples puntos de datos y tomar decisiones de control para optimizar las operaciones de forma autónoma. A partir de ahí, compara la ruta de control óptima con los datos reales de los sensores, aplica el aprendizaje automático y aprende mejoras sobre el funcionamiento del edificio a lo largo del tiempo.
La historia de los gemelos digitales
La NASA comenzó con la idea del gemelo digital ya en la década de 1960.
La NASA había creado simuladores de sistemas en la nave Apolo 13 que podían recibir actualizaciones de la nave real en el espacio exterior a través de las telecomunicaciones, lo que permitió a los ingenieros realizar simulaciones de situaciones antes de la partida de los astronautas. Gracias a esto, los ingenieros pudieron seleccionar los problemas consultando los modelos y salvando la misión del desastre.
Tipos de gemelos digitales
Sims de ciudades inteligentes
Las ciudades inteligentes son ya una realidad. Gracias a las cámaras de vídeo, la computación de borde y la IA, las ciudades son capaces de comprenderlo todo, desde el aparcamiento hasta el flujo de tráfico y los patrones de delincuencia. Los planificadores urbanos pueden estudiar los datos para ayudar a elaborar y mejorar los diseños de las ciudades.
Los gemelos digitales de las ciudades inteligentes permiten una mejor planificación de la construcción y mejoras constantes de los municipios. Las ciudades inteligentes están construyendo réplicas en 3D de sí mismas para realizar simulaciones de mejora; y estas mejoras pueden aplicarse en el mundo real.
NVIDIA Metrópolis es un marco de aplicaciones, un conjunto de herramientas para desarrolladores y un amplio ecosistema de socios especializados que ayudan a los desarrolladores y proveedores de servicios a instrumentar mejor el espacio físico y a construir infraestructuras y espacios más inteligentes a través de la visión con IA.
Gemelos de simulación de La Tierra
Los gemelos digitales se están aplicando incluso a la modelización del clima. Jensen Huang (CEO de NVIDIA), reveló sus planes de construir el superordenador de IA más potente del mundo capaz de predecir el cambio climático. Llamado Earth-2 o E-2, el sistema crearía un gemelo digital de La Tierra en Omniverse.
Por otra parte, la Unión Europea ha puesto en marcha Destination Earth, un esfuerzo por construir una simulación digital del planeta. El plan es ayudar a los científicos a trazar con precisión la evolución del clima y los fenómenos meteorológicos extremos. También se prevé tener en cuenta las mediciones del impacto ambiental de las actividades humanas y planificar cuestiones relacionadas con la alimentación y el agua.
Se prevé que el proyecto de gemelo digital de Destination Earth requiera un sistema con 20.000 GPU para funcionar a escala completa. Los conocimientos de simulación pueden permitir a los científicos desarrollar y probar escenarios, lo que puede ayudar a fundamentar las decisiones políticas y la planificación del desarrollo sostenible.
El objetivo es que la plataforma de modelización digital esté operativa en 2023 y que el gemelo digital esté en funcionamiento en 2027.
Simulación de redes en centros de datos
Las redes son un área en la que los gemelos digitales están reduciendo el tiempo inactividad de los centros de datos.
Con el tiempo, las redes se han vuelto más complicadas. La escala de las redes, el número de nodos y la interoperabilidad entre los componentes se suman a su complejidad, afectando a las operaciones de preproducción y puesta en marcha.
Los gemelos digitales de red aceleran los despliegues iniciales al probar previamente el enrutamiento, la seguridad, la automatización y la supervisión en la simulación. También mejoran las operaciones en curso, lo que reduce tiempos de mantenimiento.
Las operaciones de red también han evolucionado hacia capacidades más avanzadas con el uso de API y la automatización.
La plataforma de simulación de infraestructuras NVIDIA Air permite a los ingenieros de redes albergar gemelos digitales de las redes de los centros de datos.
Desplegando el 5G con gemelos digitales
Ericsson, proveedor de equipos y servicios de telecomunicaciones, está combinando décadas de experiencia en simulación de redes de radio con NVIDIA Omniverse Enterprise.
La compañía está construyendo gemelos digitales a escala de ciudad para ayudar a simular con precisión la interacción entre las microcélulas y torres 5G y su entorno para maximizar el rendimiento y la cobertura.
Gemelos digitales en la fabricación de automóviles
El Grupo BMW, que cuenta con 31 fábricas en todo el mundo, está colaborando con NVIDIA en la creación de gemelos digitales. El fabricante de automóviles alemán está confiando en NVIDIA Omniverse Enterprise para ejecutar simulaciones de fábrica con el fin de optimizar sus operaciones.
Sus fábricas ofrecen unas 2.100 configuraciones posibles de un nuevo vehículo.
Alrededor del 99% de los vehículos producidos en las fábricas de BMW son configuraciones personalizadas, lo que crea desafíos para mantener los materiales almacenados en la línea de montaje. Es por ello que BMW Group utiliza también la plataforma robótica NVIDIA Isaac para desplegar una flota de robots para la logística con el fin de mejorar la distribución de materiales en su entorno de producción.
Estos robots de asistencia humana (que se ponen en escenarios de simulación con humanos digitales en la preproducción) permiten a la compañía probar con seguridad las aplicaciones de los robots en la planta del gemelo digital antes de lanzarse a la producción.
Las simulaciones virtuales también permiten a la empresa optimizar la línea de montaje, así como la ergonomía y la seguridad de los trabajadores. Expertos en planificación de distintas regiones pueden conectarse virtualmente con NVIDIA Omniverse, permitiendo a los equipos de diseño 3D de todo el mundo trabajar simultáneamente en varias suites de software en un espacio virtual compartido.
NVIDIA Omniverse Enterprise permite crear gemelos digitales para muchas aplicaciones industriales diferentes.
Arquitectura, ingeniería y construcción
Los equipos de diseño de edificios se enfrentan a una creciente demanda de colaboración eficiente, una iteración más rápida de los renders y expectativas de simulación precisa y fotorrealismo.
Estas exigencias pueden ser aún más difíciles cuando los equipos están dispersos por todo el mundo.
La creación de gemelos digitales en Omniverse para que arquitectos, ingenieros y equipos de construcción evalúen juntos los diseños puede acelerar el ritmo de desarrollo, ayudando a que los contratos se ejecuten a tiempo.
Los equipos de Omniverse pueden reunirse virtualmente en una única plataforma interactiva para desarrollar rápidamente modelos arquitectónicos.
Venta al por menor y cumplimiento de los pedidos
A día de hoy, los centros logísticos cuentan con robots para ayudar a los trabajadores a evitar lesiones y aumentar su eficiencia. Estos centros son entornos llenos de cámaras que funcionan gracias a la IA y la computación de borde para recoger, tirar y embalar los productos.
El uso de los gemelos digitales supone poder realizar simulaciones para eliminar cuellos de botella y otros problemas logísticos.
Gemelos digitales en la industria energética
Siemens Energy confía en Omniverse para crear gemelos digitales que apoyen el mantenimiento predictivo de las centrales eléctricas. Un gemelo digital puede reducir el tiempo de inactividad y ahorrar a los proveedores de servicios públicos unos 1.700 millones de dólares al año.
Utilizando los marcos de software NVIDIA Modulus, Siemens Energy puede simular los efectos corrosivos del calor, el agua y otras condiciones sobre el metal a lo largo del tiempo para ajustar las necesidades de mantenimiento.
Exploración de hidrocarburos
Las compañías petroleras se enfrentan a enormes riesgos (tanto financieros como medioambientales) a la hora de explotar yacimientos o revalorizar campos en fase de producción.
Los gemelos digitales para las simulaciones de yacimientos pueden ahorrar muchos millones de dólares y evitar problemas medioambientales. Mediante aplicaciones de software técnico, estas empresas pueden modelar cómo fluyen el agua y los hidrocarburos bajo el suelo en medio de los pozos. Esto les permite evaluar situaciones potencialmente problemáticas y estrategias de producción virtuales en superordenadores.
Como resultado de evaluar los riesgos de antemano en los gemelos digitales, estas empresas de exploración pueden minimizar las pérdidas al comprometerse con nuevos proyectos. Las versiones del mundo real en producción también pueden optimizarse para obtener mejores resultados basándose en los análisis de su gemelo digital.
Eficiencia en los aeropuertos
Los gemelos digitales permiten a los aeropuertos mejorar la experiencia de los clientes. Por ejemplo, las cámaras podrían supervisar la Administración de Seguridad en el Transporte y aplicar IA para analizar posibles cuellos de botella en horas punta. Éstos podrían abordarse en modelos digitales y luego trasladarse a la producción para reducir la pérdida de vuelos. El vídeo de la gestión de equipajes puede evaluarse para mejorar las formas en el entorno digital y garantizar que el equipaje llegue a tiempo.
Los cambios de rumbo de los aviones también salen beneficiados con los gemelos digitales. Muchos proveedores dan servicio a los aviones que llegan para que den la vuelta y vuelvan a la pista de despegue. El vídeo puede ayudar a las aerolíneas a rastrear a estos proveedores para garantizar entregas oportunas. Los gemelos digitales pueden analizar la coordinación de servicios para optimizar los flujos de trabajo antes de cambiar las cosas.
Las aerolíneas pueden hacer que sus proveedores se responsabilicen de llevar a cabo sus actividades con rapidez. Los servicios de catering, limpieza, reabastecimiento de combustible, recogida de basura y otros proveedores de servicios, tienen acuerdos con las aerolíneas para ayudar a que los aviones sigan funcionando a tiempo. Todas estas actividades pueden ejecutarse en simulaciones en el mundo digital y luego aplicarse a la programación en producción para obtener resultados en el mundo real que ayuden a reducir los retrasos en las salidas.
¿Cuál es el futuro de los gemelos digitales?
Los avances de la última década en las GPU, la IA y las plataformas de software están acelerando la adopción de los gemelos digitales. Además, la creciente penetración de la realidad virtual y la realidad aumentada acelerarán aún más esta labor.
Se espera que las ventas mundiales de gafas de RV aumenten de 7 millones en 2021 a más de 28 millones en 2025. Esto significa un número mucho mayor de consumidores de contenido virtual, que podrán acceder a Omniverse, lo que impulsará los avances de los gemelos digitales.
Hace años que se habla de mundos virtuales y gemelos digitales. Estamos justo al principio de esta transición a la realidad.
Rev Lebaredian, Videpresidente de Omniverse y Tecnología de Simulación en NVIDIA.
Abróchate el cinturón para la aventura.
GLOSARIO
- Ciudad inteligente (smart city): ciudad que utiliza el potencial de la tecnología y la innovación para promover un desarrollo sostenible y mejorar la calidad de vida de sus ciudadanos de manera más eficiente.
- Computación de borde: infraestructura de computación distribuida que hace que las aplicaciones empresariales se acerquen a los orígenes de datos, como dispositivos de IoT o servidores locales de borde.
- Datos sintéticos: información que generan las simulaciones por computadora como alternativa a los datos del mundo real. En otras palabras, los datos sintéticos se crean en mundos digitales en lugar de recopilarse o medirse en el mundo real.
- Descripción de escena universal de Pixar (USD): las canalizaciones capaces de producir películas gráficas por computadora y juegos normalmente generan, almacenan y transmiten grandes cantidades de datos 3D. Pues bien, a estos datos se les llama descripción de escena.
- Internet de las cosas (Internet of Things – IoT): interconexión digital de objetos cotidianos con internet. En definitiva, es una conexión de internet más con objetos que con personas.
- Realidad Aumentada (RA): conjunto de tecnologías que permiten que un usuario visualice parte del mundo real a través de un dispositivo tecnológico con información gráfica añadida.
- Realidad Virtual (RV): entorno de escenas u objetos simulados de apariencia real. Es decir, un entorno generado mediante tecnología informática que crea en el usuario la sensación de estar inmerso en él.
Fuente: NVIDIA.