Kennisbank › Digital twins (mens & stad)
Digital twins: digitale kopieën van mensen, fabrieken en steden
Stel je een simpele fietscomputer voor die precies bijhoudt hoe hard je trapt, hoe je hart klopt en hoe de wind je afremt. Een digital twin (digitale tweeling) is eigenlijk hetzelfde idee, maar dan voor iets veel groters en complexers: een compleet computermodel van een lichaam, machine, fabriek of stad dat continu wordt gevoed met echte metingen uit de werkelijkheid. Het model verandert dus mee met zijn 'origineel' in de echte wereld, in plaats van een eenmalige momentopname te zijn.
Het idee komt oorspronkelijk uit de ruimtevaart. Toen in 1970 aan boord van Apollo 13 een zuurstoftank explodeerde, gebruikten NASA-ingenieurs op aarde een kopie van het ruimteschip om te testen welke noodprocedures wél zouden werken, zonder de astronauten verder in gevaar te brengen. Diezelfde logica passen ingenieurs en artsen nu toe op fabrieken, bruggen, hele steden en zelfs op het menselijk hart: eerst uitproberen in de digitale kopie, dan pas ingrijpen in de werkelijkheid.
Wat is het precies?
Een digital twin bestaat meestal uit drie onderdelen die met elkaar verbonden zijn. Eerst is er het fysieke object: een orgaan, een productielijn of een wijk. Daarna is er het digitale model, een wiskundige of 3D-representatie die het gedrag van dat object nabootst. En ten slotte is er een continue stroom sensordata, metingen van bijvoorbeeld temperatuur, trillingen, hartslag of verkeersdrukte, die van het echte object naar het model wordt gestuurd.
Dankzij die voortdurende gegevensstroom blijft het digitale model actueel. Verandert er iets aan de machine, dan verandert het model mee. Dat is het verschil met een gewone simulatie: een simulatie is los van de werkelijkheid en gebruikt aannames, terwijl een digital twin idealiter een levend spiegelbeeld is van iets dat op dit moment ergens echt bestaat.
Met dat actuele model kun je vervolgens dingen uitproberen die je in het echt niet zomaar zou doen. Je kunt in de simulatie een onderdeel harder laten draaien om te zien wanneer het stuk gaat, of een nieuwe straat laten aanleggen om te zien wat dat met de verkeersdrukte doet. Dat heet predictive maintenance (voorspellend onderhoud) wanneer het om machines gaat: op basis van het model voorspellen wanneer een onderdeel dreigt te falen, zodat je het kunt vervangen vóórdat het echt kapotgaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte is dat je fouten en risico's digitaal kunt opsporen voordat ze in de echte wereld schade aanrichten of geld kosten. Een fabrikant kan in een digitale fabriek testen of een nieuwe productielijn wel gaat werken, zonder de bestaande productie stil te leggen. Een ziekenhuis zou in theorie op een digitale kopie van een patiënt kunnen uittesten hoe die zal reageren op een medicijn of operatie.
Voor steden gaat het vooral om planning en beheer. Met een digitale kopie van een stad kunnen ambtenaren en ontwerpers vooraf doorrekenen wat een nieuwe metrolijn doet met de reistijden, hoe een wijk zich gedraagt bij extreme hitte, of waar wateroverlast ontstaat bij zware regenval. Dat is goedkoper en veiliger dan het gewoon te gaan bouwen en dan maar afwachten.
Bij mensen ligt de nadruk op gepersonaliseerde geneeskunde: behandelingen afstemmen op het specifieke lichaam van één patiënt in plaats van op het gemiddelde uit een studie. Bij fabrieken en infrastructuur draait het vooral om kosten besparen, storingen voorkomen en energie efficiënter gebruiken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten laat zien hoe het concept in de praktijk wordt toegepast, van menselijke organen tot hele havens.
- Living Heart Project (Dassault Systèmes, gestart in 2014): een gedetailleerd, door de Amerikaanse toezichthouder FDA gebruikt computermodel van een kloppend menselijk hart, waarmee onderzoekers en medische-hulpmiddelenfabrikanten nieuwe hartkleppen en pacemakers virtueel kunnen testen voordat ze op mensen worden toegepast.
- Virtual Singapore (vanaf 2018): een gedetailleerde 3D-digitale kopie van de hele stadstaat Singapore, gebruikt door de overheid om bijvoorbeeld zonlichtinval, wind en voetgangersstromen tussen gebouwen te simuleren bij nieuwe bouwprojecten.
- Digital twin van de haven van Rotterdam: het Havenbedrijf Rotterdam werkt sinds enkele jaren, samen met technologiepartners, aan een digitale kopie van de haven waarin scheepvaart, weer en waterstanden worden gecombineerd om schepen efficiënter en veiliger te laten aanmeren.
- EDITH / Virtual Human Twin: binnen het Europese onderzoeksprogramma Horizon Europe loopt sinds 2023 een grootschalig project dat moet uitmonden in een gecoördineerde Europese infrastructuur voor digitale tweelingen van de mens, bedoeld om onderzoek naar ziekten en behandelingen te versnellen.
- Destination Earth (Europese Commissie, gestart in 2022): een ambitieuze digitale kopie van de hele aarde, opgebouwd uit klimaat- en weermodellen, die overheden moet helpen om de gevolgen van klimaatverandering en extreem weer beter te voorspellen.
Hoe ver is de techniek?
Voor machines en fabrieken is de technologie relatief volwassen: bedrijven als Siemens en Unilever gebruiken digital twins al operationeel om storingen te voorspellen en productielijnen te optimaliseren. Dat werkt goed omdat machines zich redelijk voorspelbaar gedragen en goed van sensoren te voorzien zijn.
Digitale tweelingen van steden en mensen staan minder ver. Een stad bestaat uit ontelbare, deels onvoorspelbare factoren, zoals menselijk gedrag, dus modellen blijven altijd een vereenvoudiging. Bij mensen is het probleem nog groter: een lichaam is extreem complex en individuele verschillen zijn enorm, waardoor een echt volledig 'digitaal ik' voorlopig niet bestaat. Wat wel bestaat, zijn deelmodellen van specifieke organen of processen, zoals het hart of de bloedsomloop.
Belangrijke obstakels zijn dataprivacy (vooral bij medische digital twins, waar continue lichaamsdata zeer gevoelig is), de kwaliteit en beschikbaarheid van sensoren, de rekenkracht die nodig is om grote modellen in real time bij te werken, en het gebrek aan gedeelde standaarden waardoor systemen van verschillende leveranciers lastig met elkaar praten. Ook moeten medische modellen zorgvuldig gevalideerd worden voordat ze een rol mogen spelen in echte behandelbeslissingen, wat een langzaam en streng proces is.
Wie werken eraan?
Op het gebied van industriële digital twins zijn Siemens, Dassault Systèmes, Microsoft, IBM en Ansys grote spelers, net als chipmaker Nvidia met zijn Omniverse-platform voor 3D-simulaties. Deze bedrijven leveren de software waarmee fabrieken en infrastructuur gemodelleerd worden.
Op onderzoeksgebied trekt de Europese Unie met het Horizon Europe-programma flink de portemonnee voor zowel menselijke digital twins (EDITH) als de digitale aardetweeling Destination Earth. Singapore geldt internationaal als voorloper op het gebied van stedelijke digital twins. In Nederland doen onder meer TU Delft en het Havenbedrijf Rotterdam onderzoek naar en toepassingen van digitale tweelingen, en in Duitsland speelt onderzoeksorganisatie Fraunhofer een grote rol in industriële toepassingen.