出品?|?科普中國

作者?|?海里的咸魚

監(jiān)制?|?中國科普博覽

你聽過“扁鵲三兄弟”的故事嗎？

據(jù)說，魏文王曾經(jīng)求教于名醫(yī)扁鵲：“你們家兄弟三人，都精于醫(yī)術(shù)，誰是醫(yī)術(shù)最好的呢？”扁鵲說：“大哥最好，二哥差些，我是三人中最差的一個?！蔽何耐醣硎静唤?，扁鵲說到：“大哥治病是在病情未發(fā)作前就下藥鏟除病根；二哥是在病情剛顯現(xiàn)之前就解決癥狀；我是在病情十分嚴重之時，用大手術(shù)或者以毒攻毒使病人病情得到緩解或者很快治愈，所以我名聞天下，但其實我的醫(yī)術(shù)是最差的?！?/p>

這個道理在工業(yè)界也是通用的，即在事故未發(fā)生之前排除隱患，能夠最大程度保障人們的生命財產(chǎn)安全。

工業(yè)界有一個著名的海因里希法則，工業(yè)安全工程師海因里希在他的《工業(yè)事故預(yù)防》一書里提到：在1件重大的安全事故背后，必有29件輕度的事故，還有300件潛在的隱患。如果在事故發(fā)生之前，抓住時機，及時消除不安全因素，就能夠避免許多重大的傷亡事故。

那么誰能在事故出現(xiàn)前解決隱患呢？數(shù)字孿生。

什么是數(shù)字孿生？

數(shù)字孿生（digital twin）技術(shù)出現(xiàn)的目的之一就是為了防患于未然，在事故發(fā)生之前就解決掉事故隱患。

2012年，NASA給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。

這個概念看起來復(fù)雜難懂，但我們看看它的應(yīng)用就能明白了。

航空發(fā)動機是飛機上的重要器件，它的穩(wěn)定和正常運行，對于確保飛行安全極為重要。航空發(fā)動機制造商們，為了有效地檢測發(fā)動機的運行狀態(tài)，為其創(chuàng)建了數(shù)字孿生。

工程師首先會在電腦里創(chuàng)建發(fā)動機的精確虛擬副本。然后，他們在真實世界中為發(fā)動機安裝各種傳感器以收集數(shù)據(jù)，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)會實時傳輸給計算機中的數(shù)字孿生。

這時只要在虛擬世界中運行發(fā)動機，就能模擬在真實世界中的情況。經(jīng)過長時間的虛擬運行，工作人員就能收集發(fā)動機的運行方式并了解其在什么時候需要維護。

正在測試中的發(fā)動機，真實世界中無法模擬所有情況，在電腦中卻不成問題丨圖片來源：The U.S. National Archives

這樣，在現(xiàn)實中我們也就能預(yù)防性地對航空發(fā)動機進行維護，從而大大減少飛機常規(guī)的停機維護時間。

不僅如此，在計算機中的運行中，工程師還能測試各種極端、突發(fā)條件下的發(fā)動機運行情況，這些條件在真實世界中可能很難模擬。這樣就能加深對機器的理解，并提高其在各種條件下的可靠性。

數(shù)字孿生從何而來？

數(shù)字孿生之前，在計算機里對真實世界的物體進行建模和分析的技術(shù)早就存在了，并且發(fā)展的非常成熟，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字孿生在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，圖中為海上石油平臺的數(shù)字孿生丨圖片來源：Wikipedia-SumitAwinash

比如在工程領(lǐng)域，如果要修一座橋，這座橋要怎么設(shè)計才能夠達到最強的承重效果呢？先在仿真軟件里建立模型，不斷優(yōu)化模型，然后根據(jù)優(yōu)化好的模型在現(xiàn)實中修建橋梁。

計算機仿真技術(shù)是數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生和仿真模型的區(qū)別在于數(shù)字孿生具有演化性。數(shù)字孿生會不斷接收實際物體的各類信息，實時調(diào)整狀態(tài)，努力達到與實際物體實時對應(yīng)的狀態(tài)。

根據(jù)數(shù)字孿生提供的信息，電腦發(fā)出指令，實時調(diào)整物理世界機器的運行參數(shù)，以達到最佳運作狀態(tài)丨圖片來源：德勒大學(xué)出版社

再舉一個與我們生活更相關(guān)一點的例子。每臺汽車儀表盤上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速表有一個紅區(qū)，它表示如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達到這個區(qū)間，很可能會出問題，這個紅區(qū)在汽車的整個生命期間是不變的。

但實際情況是，每輛汽車的使用情況不同，有的汽車保養(yǎng)良好，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到紅區(qū)也沒問題；有的汽車使用情況比較糟糕，發(fā)動機轉(zhuǎn)速還沒達到紅區(qū)就已經(jīng)出故障了。

如果汽車上的發(fā)動機能夠有一個數(shù)字孿生，在虛擬世界和發(fā)動機同步運行，那么發(fā)動機的紅區(qū)就能根據(jù)數(shù)字孿生運行的情況來實時做出改變，大大降低發(fā)動機出故障的可能性。

David Gelernter在1991年的著作Mirror worlds?(《鏡像世界》)?預(yù)見了數(shù)字孿生這一概念。2011年，美國空軍研究室首次明確提到了數(shù)字孿生，他們希望把戰(zhàn)斗機的維護工作進行數(shù)字化，而數(shù)字孿生就是他們提出的解決方案。

美國空軍在F35戰(zhàn)斗機上布置大量的傳感器，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳輸給預(yù)先建立的數(shù)字模型，模型將隨著數(shù)據(jù)而實時的產(chǎn)生變化，精確的模擬出戰(zhàn)斗機的實際狀態(tài)。

F35是現(xiàn)在世界使用廣泛的新一代戰(zhàn)機丨圖片來源：Israeli Air Force

美國通用電氣公司在幫助空軍研制F35戰(zhàn)機的數(shù)字孿生時，也對這一概念產(chǎn)生了極大的興趣，并在后續(xù)不斷投入資金進行研究。截至2018年，通用公司宣稱他們已經(jīng)為自己生產(chǎn)的每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振都創(chuàng)造了對應(yīng)的數(shù)字孿生。

計算機的快速發(fā)展，使得我們有能力去處理來自物理實體的海量數(shù)據(jù)，機器學(xué)習(xí)、AI的涌現(xiàn)使得建立極其復(fù)雜的虛擬模型從天方夜譚變?yōu)榭赡?。傳感器的海量?yīng)用、高精度數(shù)字模型的建立、物理實體與虛擬模型的數(shù)據(jù)交互是數(shù)字孿生的存在基礎(chǔ)。

我們會擁有自己的數(shù)字孿生嗎？

每個人都是獨一無二的，不同于現(xiàn)代制造業(yè)流水線生產(chǎn)的產(chǎn)品，人類是極其復(fù)雜的。隨著技術(shù)的發(fā)展，智慧醫(yī)療的概念被提出并受到了越來越多的關(guān)注。

最近幾年，智能手表出現(xiàn)在了人們的手腕上，這些手表能夠檢測人的心率、血液中的氧氣含量等基礎(chǔ)信息。我們坐太久手表會提醒自己起來走動，運動的時候心跳太快手表也會發(fā)出預(yù)警。

現(xiàn)在借助機器學(xué)習(xí)，電腦能夠通過人臉的圖片判斷我們的心情怎么樣；在減肥過程中，拿手機拍照能知道食物有多少卡路里；智能手表會記錄我們前一晚的睡眠數(shù)據(jù)。

從某種意義上來說，這算是人體數(shù)字孿生的最初級版本。

智能手表等可穿戴智能設(shè)備能收集到人體的許多數(shù)據(jù)丨圖片來源：pixabay

但是對于龐大且復(fù)雜的人體系統(tǒng)而言，僅采用上述的些許數(shù)據(jù)是不能實現(xiàn)對人體狀況準確預(yù)測的。想要得到一個更加準確的數(shù)字孿生，需要收集大量的數(shù)據(jù)進行分析。其中包括人體所處環(huán)境的空氣質(zhì)量、光照條件、人體接種的疫苗、腦電圖、心電圖、攝入食物的種類數(shù)量等等。

創(chuàng)建一個能夠和現(xiàn)實中的人同步成長的數(shù)字孿生，到今天依然是不可能的任務(wù)。

盡管如此，人們對數(shù)字孿生在醫(yī)療健康領(lǐng)域的美好前景仍然滿懷信心。2014年，人們啟動了名為“活心臟計劃（LHP: live heart ?Project）”的數(shù)字孿生開發(fā)項目，來自各行各業(yè)的專家以及醫(yī)學(xué)從業(yè)者希望創(chuàng)建一個人類心臟的數(shù)字孿生。

幾年后，這個項目交付了第一個參考模型，在這個模型中，醫(yī)生能夠復(fù)現(xiàn)任何心血管疾病并安全地測試治療方案，一些醫(yī)院的醫(yī)生會利用它來為不同的患者規(guī)劃個性化的心臟手術(shù)程序。

某些新出現(xiàn)的醫(yī)療手段，在現(xiàn)實中進行實驗可能會造成巨大的損害，在數(shù)字孿生里則可以避免。

先建立一個通用的一般模型，在此模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同患者的信息建立對應(yīng)的個性化模型丨圖片來源：作者自制

隨著新冠肺炎席卷全球，研究人員啟動了一項新的數(shù)字孿生計劃——活肺計劃（LLP : Living Lung Project），用來了解病毒對人體肺器官的長期影響。在虛擬的時空中，我們可以加速時間的流動速度，分析疾病的長期影響。

圖片來源：Wikipedia

曾經(jīng)人們認為不可能建造一架完整客機的數(shù)字孿生，現(xiàn)在已經(jīng)是飛機制造商的家常便飯。人體數(shù)字孿生的搭建工作，在今天看來還存在許多獨特的挑戰(zhàn)，人們相信科學(xué)技術(shù)進步的速度會碾平這些挑戰(zhàn)。

數(shù)字孿生是一個多學(xué)科交叉的復(fù)雜領(lǐng)域，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)、生物學(xué)都是必不可少的學(xué)科。越來越多的研究人員進入了數(shù)字孿生的研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生也開始出現(xiàn)在城市規(guī)劃、智能工廠、生物制藥等領(lǐng)域。另一個“我”，或許就在不遠的未來。

參考文獻

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