Цифровые двойники детей! Кому и зачем это нужно?

А теперь представьте, что вы могли бы запечатлеть не только истории, но и весь спектр физических процессов, систем и структур — не одну, а сотни — одновременно и в нужном масштабе. В этом и заключается потенциал технологии цифровых двойников. Она создаёт виртуальные копии реальных процессов, позволяя нам наблюдать, анализировать и оптимизировать их способами, которые раньше были невозможны. Тем не менее, несмотря на свой потенциал, концепция цифровых двойников до сих пор мало кому известна [1].

Что такое цифровой двойник

Итак, давайте разберёмся, что такое цифровые двойники.

Цифровой двойник (англ. digital twin) — это виртуальная модель, воспроизводящая объекты или системы реального мира, виртуальный прототип физического объекта с возможностью сбора и анализа данных, полученных от него.

В отличие от статических вычислительных моделей, цифровые двойники динамически интегрируют данные, получаемые в режиме реального времени, например, с носимых датчиков, чтобы отразить уникальные характеристики человека.Это гарантирует, что модель представляет собой не просто обобщенное представление, а персонализированный инструмент, непосредственно привязанный к конкретному человеку.

Концепцию цифровых двойников впервые представил публике в 2002 году Майкл Гривз, профессор Мичиганского университета. В своем докладе, посвященном управлению жизненным циклом продукта (PLM), он рассказал о возможностях, открывающихся при создании виртуального пространства, которое дублировало бы реальное пространство и обменивалось с ним информацией. Через год ученый опубликовал статью «Цифровые двойники: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». После этого термин «цифровой двойник» прочно вошел в обиход и с каждым годом получает новое наполнение [2]. Классификация цифровых двойников показана на рисунке 1.

Рис. 1 Классификация цифровых двойников. Источник: статья Коротеев, Д. Д. Перспективы применения цифровых двойников в строительной отрасли / Д. Д. Коротеев, А. А. Ким, А. О. Васютин // Вестник евразийской науки. — 2024. — Т. 16. — №2.

Какие передовые технологии связаны с цифровым двойником?

Цифровые двойники используют множество различных технологий для создания виртуальных копий физических объектов и их окружения (рис.1). Некоторые из передовых технологий, связанных с разработкой цифровых двойников, мы отметим ниже.

1. Интернет вещей (IoT). Датчики IoT собирают данные в режиме реального времени с физических объектов и окружающей среды, предоставляя информацию об их производительности, состоянии и поведении. Эти потоки данных важны для поддержания точного представления реального объекта в цифровой модели.
2. Облачные вычисления. Облачные платформы предлагают масштабируемые возможности хранения и обработки данных, необходимые для управления объёмами данных, генерируемых цифровыми двойниками. Облачные решения обеспечивают доступ к цифровым двойникам из любой точки мира, упрощая совместную работу и анализ данных между командами и организациями.
3. Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (ML). Алгоритмы ИИ и ML анализируют данные, собранные цифровыми двойниками, для выявления закономерностей, тенденций и аномалий. Эти данные позволяют проводить предиктивную аналитику, выявлять аномалии и оптимизировать операции в среде цифровых двойников.
4. Дополненная реальность (AR) и виртуальная реальность (VR). Технологии дополненной и виртуальной реальности расширяют возможности визуализации и взаимодействия с цифровыми двойниками. Они позволяют пользователям накладывать цифровую информацию на физический мир или погружаться в виртуальные представления для обучения, моделирования и обслуживания.
5. Аналитика и визуализация данных. Передовые методы аналитики данных, включая интеллектуальный анализ данных, статистический анализ и предиктивное моделирование, помогают извлекать практически значимую информацию из данных цифрового двойника. Инструменты визуализации представляют эту информацию в интуитивно понятных форматах, позволяя пользователям принимать обоснованные решения и оптимизировать процессы.

Используя эти передовые технологии, цифровые двойники предлагают большие возможности для мониторинга, анализа и оптимизации процессов.

В России развитие технологии цифровых двойников несколько отстает от мирового уровня, однако она входит в топ-5 наиболее эффективных технологий, способствующих технологическому прогрессу и лидерству, а также завоеванию отечественными предприятиями мирового рынка. В связи с этим многие компании активно внедряют эти технологии в свою деятельность, а развитию и применению этой инновационной концепции посвящено множество научных исследований [4].

Цифровой двойник робота

Интересный свежий пример — в МФТИ разработали цифровую модель (двойник) робота-гуманоида.

В МФТИ создаются цифровые двойники реальных роботов, в цифровом пространстве и на цифровых моделях проводится обкатка обучения робота поведенческим навыкам и физической работе в доверительном пространстве. На цифровой модели отрабатываются различные сценарии действий робота в человеко-ориентированной среде (доверительном пространстве) под управлением искусственного интеллекта. Важно, что проект отвечает требованиям технологического суверенитета России, а именно: цифровая модель – алгоритмы ИИ – это отечественное программное обеспечение.

Сейчас эксперты МФТИ занимаются обучением робота поведенческому интеллекту для работы на складе, в офисе, сборщиком заказов, доставщиком. На цифровой модели отрабатываются функциональные возможности робота-сотрудника, определяются все его «могу»: поднимать/опускать тяжести, брать/отдавать в руку/из руки, снимать/ставить товары с полки/на полку, укладывать/изымать в контейнер/из контейнера, спускаться/подниматься с грузом по ступенькам лестницы и другое.

Важную роль в создании цифровых двойников играет цифровая платформа.

В примере выше цифровая платформа включает в себя цифрового двойника робота и информационную систему, обеспечивающую прямую и обратную связь, хранящую наборы данных. Отметим, что цифровые компьютерные платформы и цифровые двойники в России разрабатываются согласно ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники. Общие положения»». Действие стандарта распространяется на изделия машиностроения и робототехники, а также на изделия тех отраслей, которые составляют основу технологического ядра промышленности и экономики.

Эффективность замены человека роботом-погрузчиком рассчитывается через экономическую целесообразность, где сопоставляется будущий эффект (прибыль) с затратами. Это позволяет определить: на сколько выгоден проект замены человека роботом?

Цифровой двойник ребенка

Но, наибольший интерес исследователей сегодня вызывает вопрос возможно ли создать цифрового двойника человека (ребенка)? Так в здравоохранении цифровые двойники могут представлять собой виртуальные модели органов, таких как сердце или лёгкие, целых физиологических систем. Однако наиболее интересно представление всей личности человека.

Еще осенью 2020 года российский стартап VIRperson (основатель Роман Душкин) начал создавать цифровые копии исторических личностей. Российские ученые изобрели способ создания цифровых двойников – это первый в мире запатентованный научный способ создания цифрового образа сознания человека. И в России существуют различные подходы к созданию цифровых двойников.

Особенно интересно посмотреть на передовой опыт Китая по созданию цифровых двойников детей. [5]. «Звучит как фантастика, но в Гуанчжоуском институте городских инноваций планируют в ближайшем будущем создать цифровых двойников детей. В данную систему необходимо будет каждый год загружать данные о состоянии здоровья ребенка, и если цифровой двойник обнаружит отклонения от нормы, то тут же оповестит о ней родителей».

Подобная цифровая модель может включать механистические модели, которые моделируют хорошо изученные физические, химические, биологические и физиологические процессы, а также статистические модели, которые опираются на данные, собранные с реального ребенка. Данные реального ребенка относятся как минимум к нескольким категориям.

1. Физические: включая антропометрические характеристики, биомеханические характеристики, время, необходимое для выполнения задачи, движения глаз и т.д.
2. Физиологические: такие показатели, как частота сердечных сокращений, вариабельность сердечного ритма, уровень кислорода в крови, электрофизиологические сигналы мозга, зрачковая дистанция, периферический кровоток и гастрономическая активность.
3. Перцептивные способности: способность расшифровывать речь, зрительная чувствительность, цветовая чувствительность, контрастная чувствительность, чувствительность к давлению, болевые пороги и т. д.
4. Характеристики личности: такие качества, как тип личности, склонность к доверию и склонность к подозрениям.
5. Эмоциональное состояние: чувства, испытываемые ребенком в текущих обстоятельствах, включая уровни депрессии и тревожности.
6. Поведение: действия, предпринимаемые ребенком для взаимодействия с системой [7].

Такие модели и данные дают возможность спрогнозировать будущий стиль мышления цифрового «аватара». Говоря о пользе от цифрового двойника ребенка (цифрового клона), необходимо отметить, что виртуальная копия будет на год старше, чем реальный ребенок. Будущие события его жизни будут созданы за счет имитационного моделирования.

Благодаря такому цифровому двойнику исследователи надеются предсказать возможные заболевания детей. Используя большие данные и алгоритмы ИИ, исследователи надеются спрогнозировать и само заболевание, и его последствия. Это даст возможность наперёд видеть проблемы, и назначать профилактику раньше, чем произойдет само заболевание. При таком подходе цифровой двойник ребенка заболеет, а настоящий ребенок – нет, т.к. результаты моделирования с плохим сценарием развития ребенка могут компенсироваться профилактическим лечением [6].

Развитие технологии цифровых двойников может обострить этические проблемы. По мере того, как цифровые клоны становятся всё более совершенными и распространёнными, нам необходимо защищать конфиденциальность детей. Также необходимо обеспечить ответственное применение данных технологий.

Моделирование и прогнозирование здоровья ребенка на цифровых двойниках –вещь полезная и занимательная, но пока точность моделирования, увы, несопоставимо мала. Цифровые двойники являются точными копиями человека и описывают его физическое состояние, включая положение, форму, статус, состояние, динамику активностей, однако, этих данных не достаточно для точного прогнозирования. Повысить качество прогноза можно, включив в обработку генетические данные живого человека, поскольку они играют важнейшую роль в его состоянии и здоровье, однако, использование генетических данных в моделировании будущих состояний у детей запрещено Международной декларацией о генетических данных человека и всеобщей декларацией о геноме человека и правах человека на защиты конфиденциальных (персональных) данных. Так что пока вопрос возможно ли создать цифрового двойника человека (ребенка) остается открытым.

Комментарии 0