Digital Twin e oggetti virtuali

Cos’è il Digital Twin

Un Digital Twin è una riproduzione digitale di un'entità fisica: di un prodotto, di un edificio, di un territorio, di un essere vivente, connesso con l'entità fisica mediante sensori. Il Digital Twin è una tecnologia abilitante per l'Internet delle cose nell'industria, dove gli oggetti fisici possono vivere e interagire virtualmente con altre macchine e persone; sono sempre più utilizzati nell'ambito IOT, in quanto servono a rappresentare in forma realistica oggetti e contesti in cui l'Internet delle cose dispone i suoi sensori.

"A Digital Twin is a real time digital replica of a physical device". Tao, Sui, Sui, Liu, Qi, Zhang, Song, Guo, Lu & Nee, (2018)

I Digital Twin sono anche chiamati "cyber oggetti".

Digital twin e internet delle cose: riproduzione di impianti produttivi

Il Digital Twin interconnette il mondo fisico e quello virtuale, grazie alla tecnologia IOT (Internet Of Things) l'entità virtuale esiste simultaneamente all'entità fisica. La letteratura disponibile si riferisce soprattutto all'ambito industriale. Carraro Lab ha sviluppato per Gruppo Tecno la piattaforma Digital Twin “KontrolON” (per la gestione e il monitoraggio di impianti industriali per la produzione di inerti. Si tratta di una rappresentazione 3D sintetica di un processo produttivo, adattabile a diversi impianti. KontrolON è un’applicazione integrata di tre filoni tecnologici emergenti: Big Data, Internet of Things e Virtual Reality, la cui interazione permette di proporla in vari contesti, passando dalle diverse tipologie di impianti industriali, alle infrastrutture e ai trasporti, fino agli ambiti smart city e smart building.

Digital twin e realtà aumentata, per la formazione e il marketing immersivo

Diverse tipologie di oggetti virtuali: dall’industria all’edilizia

Da decenni un modello tridimensionale CAD (Computer Aided Design) viene utilizzato per progettare prodotti industriali, e poi per produrli in un sistema CAM (Computer Aided Manufacturing). Oggi un modello tridimensionale può generare facilmente un prodotto fisico mediante una stampante 3D. Ma esistono varie tipologie di “oggetti virtuali”, pensati per specifici ambiti di utilizzo. Ad esempio nel settore delle costruzioni il modello tridimensionale dell’edificio, grazie alle tecnologie BIM (Building Information Modeling) è dotato di informazioni dettagliate su ogni componente costruttiva, dinamicamente aggiornate in un database. La replica digitale BIM, pur rappresentando in modo estremamente preciso l'edificio reale, lo precede e viene utilizzata per costruirlo. Una volta costruito l'edificio, la copia BIM verrà utilizzata per la manutenzione. Carraro Lab sta sviluppando con il gruppo Moretti ed EffegiSystem un progetto di ricerca finalizzato alla realizzazione di sistemi di diagnostica antisismica che si basa su modelli 3D generati da edifici esistenti. La soluzione realizza una sorta di TAC virtuale dell’edificio, grazie ad una scansione Lidar ad alta risoluzione, a sensori accelerometrici che rilevano le vibrazioni, a modelli di analisi statica e dinamica, fino ad arrivare alla progettazione BIM di interventi di ristrutturazione innovativi e non invasivi.

Gli oggetti virtuali nella digital transformation delle aziende

La tecnologia Digital Twin sottolinea la connessione in tempo reale tra il modello fisico e il corrispondente modello virtuale, ma l'uso di oggetti virtuali si sta diffondendo anche a prescindere da connessioni IOT. In vari ambiti della digital transformation, i modelli 3d possono supportare l’intero ciclo di vita dei prodotti. Le aziende, con la trasformazione digitale dei sistemi di produzione, fanno uso sempre di più modelli 3d di prodotti, che possono essere usati anche nella realizzazione di cataloghi tridimensionali, di campagne pubblicitarie 3d in supporti per il montaggio, per la manutenzione, e per le istruzioni per l’uso.

Metodologie produttive degli oggetti virtuali: modellazione e scansione 3D

Esistono oggi varie tecniche per sviluppare repliche virtuali della realtà. Sono suddividibili in due macro categorie: modellazione 3D e scansione 3D. La modellazione 3D è praticata attraverso software che permettono di creare oggetti mediante il disegno di forme geometriche tridimensionali, ed è tipicamente utilizzata nella progettazione di oggetti che non esistono, sia nel design industriale che nell’edilizia che negli effetti speciali. La scansione 3D, al contrario, ricava modelli 3d dal rilievo di oggetti esistenti, mediante sensori laser o fotogrammetria: ad esempio le città in 3d di Google Maps o i volti 3d utilizzati dai recenti sistemi di riconoscimento facciale degli smartphone.

Applicazioni delle repliche virtuali della realtà: dai prodotti alle città

Il concetto di replica virtuale è sempre più centrale in uno scenario tecnologico che vede l'affermazione della Realtà Virtuale, della Realtà Aumentata, del web 3.0, delle stampanti 3D, delle scansioni tridimensionali e del riconoscimento visivo. In alcuni contesti i Digital Twin sono ormai diffusi e utilizzati quotidianamente da tutti. Ad esempio la cartografia tridimensionale ha sviluppato straordinari Digital Twin dei territori, connessi all’ambiente fisico con sensori in grado di fornire in tempo reale informazioni sul traffico, sulle condizioni meteorologiche e su altri temi. I navigatori applicano l'intelligenza artificiale a questi Digital Twin del territorio dando forma a straordinari “smart assistant”. Google Maps sta diventando uno spettacolare Digital Twin del pianeta, che integra peraltro diverse modalità rappresentative: una mappa vettoriale bidimensionale con vari layer informativi, una scansione tridimensionale fotogrammetrica di molte aree urbanizzate del pianeta, un rilievo fotografico a 360° delle strade, lo street view, integrato con la mappa stradale. Il team di ricerca di Carraro Lab ha sviluppato nel 2006 in Italia una prima versione della mappa stradale immersiva, che prenderà poi il nome di Google street view.

Le applicazioni delle repliche virtuali sono sempre più numerose. Da decenni le repliche virtuali sono state ampiamente utilizzate in software CAD CAM per le industrie manifatturiere. Un altro comparto che fa da tempo largo uso di repliche virtuali è il settore dei videogames. Partendo storicamente dalla produzione industriale, con i Digital Twin dei prodotti e degli impianti, oggi si passa alla logistica con i digital twin cartografici per la gestione delle flotte per arrivare fino alle vendite e alla manutenzione. La sanità è riconosciuta come un'industria che viene interrotta dalla tecnologia Digital Twin in primis nelle apparecchiature per la prognosi, ma anche per la produzione di protesi. Ma oggi si possono vedere modelli 3d proliferare nell'edilizia, nella bioingegneria, nei videogames, fino al cinema, alla geologia, all'archeologia. Carraro Lab ha sviluppato vari modelli tridimensionali in ambito archeologico; il modello tridimensionale dell'antica Roma è stato utilizzato nella App Roma Virtual history, utilizzata da Steve Jobs nel Key note di lancio di IPad2 nel 2011. Nel progetto “Brixia Time Machine” sono state applicate 6 tecnologie virtuali e aumentate nel sito archeologico.

Repliche virtuali sempre più realistiche sono utilizzate negli effetti speciali cinematografici. Carraro Lab ha applicato il modello 3d di Roma antica negli effetti speciali della serie Tv “Augustus” di Lux Vide. Un altro significativo modello tridimensionale sviluppato da Carraro Lab per Dassault Systemes, leader mondiale nelle tecnologie CAD CAM, stata la mappa 3d di Expo 2015. La mappa 3d di Expo è stata integrata da Finmeccanica nel sistema di monitoraggio e controllo della cittadella dell'esposizione universale.