Gibt es wirklich ein anderes „Ich“ auf der Welt? Digitaler Zwilling: Ich bin

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor | Gesalzener Fisch im Meer

Produzent | Chinesische Wissenschaftsausstellung

Haben Sie die Geschichte der „Drei Bian Que-Brüder“ gehört?

Es heißt, König Wen von Wei habe einst den berühmten Arzt Bian Que um Rat gefragt: „Sie haben drei Brüder, die alle gute Mediziner sind. Wer ist der Beste?“ Bian Que sagte: „Der älteste Bruder ist der Beste, der zweite Bruder ist nicht so gut und ich bin der Schlechteste von den dreien.“ König Wen von Wei war verwirrt und Bian Que sagte: „Der älteste Bruder behandelt die Krankheit, indem er Medizin verabreicht, um die Grundursache zu beseitigen, bevor die Krankheit ausbricht; der zweite Bruder behandelt die Symptome, bevor die Krankheit überhaupt auftritt; ich behandle die Krankheit, wenn sie sehr ernst ist, indem ich große Operationen durchführe oder Gift verwende, um den Zustand des Patienten zu lindern oder ihn schnell zu heilen, deshalb bin ich auf der ganzen Welt berühmt, aber in Wirklichkeit sind meine medizinischen Fähigkeiten die schlechtesten.“

Dieses Prinzip ist auch in der Industrie allgemeingültig: Durch die Beseitigung versteckter Gefahren vor dem Auftreten eines Unfalls kann der Schutz von Menschenleben und Eigentum maximiert werden.

In der Industriewelt gibt es ein berühmtes Heinrich-Gesetz. Der Arbeitssicherheitsingenieur Heinrich erwähnt in seinem Buch „Verhütung von Arbeitsunfällen“: Hinter einem großen Sicherheitsunfall müssen 29 kleinere Unfälle und 300 potenzielle Gefahren stecken. Wenn wir die Gelegenheit nutzen und unsichere Faktoren rechtzeitig beseitigen, bevor es zu einem Unfall kommt, können viele schwere Unfälle vermieden werden.

Wer kann also die versteckten Gefahren beseitigen, bevor Unfälle passieren? Digitaler Zwilling.

Was ist ein digitaler Zwilling?

Einer der Zwecke der Digital-Twin-Technologie besteht darin, Unfälle zu verhindern, bevor sie passieren.

Im Jahr 2012 gab die NASA eine konzeptionelle Beschreibung digitaler Zwillinge: Digitale Zwillinge beziehen sich auf die Integration multidisziplinärer und mehrskaliger Simulationsprozesse, die physikalische Modelle, Sensoren, Betriebshistorie und andere Daten umfassend nutzen. Es dient als Spiegel physischer Produkte im virtuellen Raum und bildet den gesamten Lebenszyklus der entsprechenden physischen Produkte ab.

Dieses Konzept mag komplex erscheinen, wird aber deutlich, wenn wir uns seine Anwendung ansehen.

Flugzeugtriebwerke sind wichtige Komponenten von Flugzeugen. Ihre Stabilität und ihr normaler Betrieb sind äußerst wichtig, um die Flugsicherheit zu gewährleisten. Um den Betriebszustand des Triebwerks effektiv zu erkennen, haben Hersteller von Flugzeugtriebwerken digitale Zwillinge dafür erstellt.

Ingenieure erstellen zunächst eine exakte virtuelle Kopie des Motors in einem Computer. Anschließend installieren sie in der realen Welt verschiedene Sensoren am Motor, um Daten zu sammeln, die dann in Echtzeit an den digitalen Zwilling im Computer übertragen werden.

Zu diesem Zeitpunkt kann durch bloßes Laufenlassen des Motors in der virtuellen Welt die Situation in der realen Welt simuliert werden. Nach langen virtuellen Läufen können die Mitarbeiter Informationen über die Funktionsweise des Motors sammeln und erkennen, wann eine Wartung erforderlich ist.

Der Motor wird getestet. Es ist unmöglich, alle Situationen in der realen Welt zu simulieren, aber im Computer ist dies kein Problem. Bildquelle: The US National Archives

Auf diese Weise können wir tatsächlich eine vorbeugende Wartung an Flugzeugtriebwerken durchführen und so die regelmäßigen Ausfallzeiten der Flugzeugwartung erheblich reduzieren.

Darüber hinaus können Ingenieure während der Ausführung im Computer auch den Motorbetrieb unter verschiedenen extremen und unerwarteten Bedingungen testen, die in der realen Welt möglicherweise nur schwer zu simulieren sind. Dies führt zu einem tieferen Verständnis der Maschine und verbessert ihre Zuverlässigkeit unter verschiedenen Bedingungen.

Woher kommen digitale Zwillinge?

Vor dem Aufkommen digitaler Zwillinge gab es bereits eine Technologie zur Modellierung und Analyse realer Objekte in Computern, die sehr ausgereift war und in verschiedenen Bereichen breite Anwendung fand.

Digitale Zwillinge werden in vielen Bereichen eingesetzt. Das Bild zeigt den digitalen Zwilling einer Offshore-Ölplattform. Bildquelle: Wikipedia-SumitAwinash

Wenn Sie beispielsweise im Ingenieurwesen eine Brücke bauen möchten, wie muss diese konstruiert werden, um die größtmögliche Tragwirkung zu erzielen? Erstellen Sie zunächst ein Modell in der Simulationssoftware, optimieren Sie das Modell kontinuierlich und bauen Sie dann die Brücke in der Realität basierend auf dem optimierten Modell.

Die Computersimulationstechnologie ist die Grundlage für die Entstehung der Digital-Twin-Technologie. Der Unterschied zwischen digitalen Zwillingen und Simulationsmodellen besteht darin, dass digitale Zwillinge evolutionär sind. Der digitale Zwilling empfängt kontinuierlich verschiedene Arten von Informationen vom tatsächlichen Objekt, passt seinen Status in Echtzeit an und strebt danach, in Echtzeit einen Zustand zu erreichen, der dem tatsächlichen Objekt entspricht.

Basierend auf den vom digitalen Zwilling bereitgestellten Informationen gibt der Computer Anweisungen zum Anpassen der Betriebsparameter der Maschine in der physischen Welt in Echtzeit, um den besten Betriebszustand zu erreichen. Bildquelle: Deloitte University Press

Lassen Sie mich Ihnen ein anderes Beispiel geben, das für unser Leben relevanter ist. Der Drehzahlmesser auf dem Armaturenbrett jedes Autos hat einen roten Bereich. Das bedeutet, dass bei einer Motordrehzahl, die diesen Bereich erreicht, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Problem vorliegt. Dieser rote Bereich bleibt während der gesamten Lebensdauer des Autos unverändert.

Die Realität sieht jedoch so aus, dass jedes Auto anders genutzt wird. Einige Autos sind gut gewartet und es gibt kein Problem, wenn die Motordrehzahl den roten Bereich erreicht; manche Autos werden schlecht genutzt und haben Probleme, bevor die Motordrehzahl den roten Bereich erreicht.

Wenn der Motor eines Autos über einen digitalen Zwilling verfügen kann, der synchron mit dem Motor in der virtuellen Welt läuft, kann der rote Bereich des Motors basierend auf dem Betrieb des digitalen Zwillings in Echtzeit geändert werden, wodurch die Möglichkeit eines Motorausfalls erheblich verringert wird.

David Gelernter nahm das Konzept digitaler Zwillinge in seinem 1991 erschienenen Buch „Mirror Worlds“ vorweg. Im Jahr 2011 erwähnte das Forschungslabor der US-Luftwaffe erstmals explizit digitale Zwillinge. Sie hofften, die Wartung von Kampfjets digitalisieren zu können, und die von ihnen vorgeschlagene Lösung waren digitale Zwillinge.

Die US-Luftwaffe hat eine große Zahl von Sensoren an den F35-Kampfjets angebracht und die von den Sensoren gesammelten Daten an ein vorab erstelltes digitales Modell übermittelt. Das Modell wird sich in Echtzeit mit den Daten ändern und so den tatsächlichen Status des Kampfjets genau simulieren.

Die F35 ist eine neue Generation von Kampfjets, die heute weltweit weit verbreitet ist. Bildquelle: Israelische Luftwaffe

Als General Electric aus den USA der Air Force bei der Entwicklung eines digitalen Zwillings des Kampfflugzeugs F35 half, zeigte sich auch dort großes Interesse an diesem Konzept und investierte auch in Zukunft weiter in die Forschung. Seit 2018 hat GM nach eigenen Angaben für jeden Motor, jede Turbine und jedes MRT, das es produziert, einen digitalen Zwilling erstellt.

Die rasante Entwicklung der Computer hat es uns ermöglicht, riesige Datenmengen von physischen Objekten zu verarbeiten. Das Aufkommen von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz hat es möglich gemacht, äußerst komplexe virtuelle Modelle zu erstellen. Der massive Einsatz von Sensoren, die Erstellung hochpräziser digitaler Modelle und die Dateninteraktion zwischen physischen Einheiten und virtuellen Modellen bilden die Grundlage für die Existenz digitaler Zwillinge.

Werden wir unseren eigenen digitalen Zwilling haben?

Jeder Mensch ist einzigartig und im Gegensatz zu den Produkten, die in modernen Fertigungsstraßen hergestellt werden, ist der Mensch äußerst komplex. Mit der Entwicklung der Technologie wurde das Konzept der intelligenten Gesundheitsversorgung vorgeschlagen und erhielt immer mehr Aufmerksamkeit.

In den letzten Jahren sind Smartwatches an den Handgelenken der Menschen aufgetaucht. Diese Uhren können grundlegende Informationen wie Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt im Blut erfassen. Wenn wir zu lange sitzen, erinnert uns die Uhr daran, aufzustehen und herumzulaufen. Sollte unser Puls beim Sport zu schnell sein, warnt uns die Uhr zudem frühzeitig.

Mithilfe des maschinellen Lernens können Computer nun unsere Stimmung anhand von Gesichtsbildern beurteilen. während des Abnehmens können wir durch Aufnehmen eines Fotos mit dem Mobiltelefon feststellen, wie viele Kalorien ein Lebensmittel enthält; Smartwatches zeichnen unsere Schlafdaten der vergangenen Nacht auf.

In gewisser Weise ist dies die grundlegendste Version des menschlichen digitalen Zwillings.

Smartwatches und andere tragbare Smartgeräte können zahlreiche Daten über den menschlichen Körper sammeln. Bildquelle: pixabay

Da der menschliche Körper jedoch riesig und komplex ist, ist es nicht möglich, den Zustand des menschlichen Körpers allein anhand der oben genannten Daten genau vorherzusagen. Um einen genaueren digitalen Zwilling zu erhalten, muss eine große Menge an Daten zur Analyse gesammelt werden. Hierzu zählen die Luftqualität in der Umgebung des menschlichen Körpers, die Lichtverhältnisse, die dem menschlichen Körper verabreichten Impfstoffe, Elektroenzephalogramme, Elektrokardiogramme, die Art und Menge der verzehrten Lebensmittel und so weiter.

Die Erstellung eines digitalen Zwillings, der synchron mit einer realen Person wachsen kann, ist heute noch eine unmögliche Aufgabe.

Trotzdem ist man weiterhin voller Zuversicht hinsichtlich der vielversprechenden Aussichten digitaler Zwillinge im Gesundheitswesen. Im Jahr 2014 wurde ein digitales Zwillingsentwicklungsprojekt namens „Live Heart Project“ gestartet. Experten aus verschiedenen Branchen und Mediziner hofften, einen digitalen Zwilling des menschlichen Herzens zu erstellen.

Einige Jahre später lieferte das Projekt das erste Referenzmodell, mit dem Ärzte beliebige Herz-Kreislauf-Erkrankungen reproduzieren und Behandlungsmöglichkeiten sicher testen können. In einigen Krankenhäusern wird dieses Modell von Ärzten verwendet, um personalisierte Herzoperationen für verschiedene Patienten zu planen.

Einige neue medizinische Methoden können bei Tests in der Realität großen Schaden anrichten, bei digitalen Zwillingen kann dieser jedoch vermieden werden.

Zunächst wird ein allgemeines Modell erstellt. Auf Grundlage dieses Modells wird entsprechend den Angaben verschiedener Patienten ein entsprechendes personalisiertes Modell erstellt. Bildquelle: vom Autor selbst erstellt

Während die COVID-19-Pandemie die Welt erfasst, haben Forscher ein neues digitales Zwillingsprogramm, das Living Lung Project (LLP), gestartet, um die langfristigen Auswirkungen des Virus auf das menschliche Lungenorgan zu verstehen. Im virtuellen Raum und in der virtuellen Zeit können wir den Zeitfluss beschleunigen und die langfristigen Auswirkungen der Krankheit analysieren.

Bildquelle: Wikipedia

Einst galt es als unmöglich, einen digitalen Zwilling eines kompletten Passagierflugzeugs zu bauen, heute ist es für Flugzeughersteller Alltag. Heute ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings des menschlichen Körpers noch mit zahlreichen einzigartigen Herausforderungen verbunden, doch man ist davon überzeugt, dass die Geschwindigkeit des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts diese Herausforderungen bewältigen wird.

Digitale Zwillinge sind ein komplexes, multidisziplinäres Feld und Mathematik, Physik, Materialwissenschaften, Informatik und Biologie sind allesamt wichtige Fächer. Immer mehr Forscher sind in das Feld der digitalen Zwillingsforschung eingestiegen und digitale Zwillinge tauchen auch in Bereichen wie Stadtplanung, intelligente Fabriken und Biopharmazeutika auf. Möglicherweise taucht in naher Zukunft ein weiteres „Ich“ auf.

Verweise

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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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