Wie funktionieren digitale Zwillinge?
1. Virtuelle Zwillinge sind detailgetreue digitale Kopien
Ein virtueller Zwilling ist ein digitales Abbild eines real existierenden Objekts. Dieses Abbild wird mithilfe einer Software erstellt und kann in ihr nach Belieben verändert und angepasst werden. Virtuelle Zwillinge sind momentan vor allem in der Industrie und im produzierenden Gewerbe verbreitet. Sie sind dadurch oft ein Teil des Produktionsprozesses von Maschinen wie Fahrzeugen, Elektrogeräten oder Industrieanlagen. Der entscheidende Vorteil: Viele Schritte vom Entwurf bis zum fertigen Produkt können dank virtueller Zwillinge am Bildschirm durchgeführt werden. Das spart Zeit und Kosten. Konstruktionen lassen sich virtuell testen, optimieren und vergleichen, noch bevor ein physischer Prototyp gebaut wird.
2. Die virtuelle Kopie wird permanent aktualisiert
Zudem sieht das Konzept eines digitalen Zwillings vor, dass Sensoren den Zustand des realen Objekts erfassen und diese Daten in das digitale Modell übertragen. Die virtuelle Kopie wird somit regelmäßig an den Zustand des Originals angeglichen.
Dadurch kann ein digitaler Zwilling den Lebensweg des Produkts von Anfang bis Ende abbilden. Bei vielen Produkten wie Industrieanlagen schließt dies auch den Betrieb des Produkts ein. Hier wird der virtuelle Zwilling in einer virtuellen Fabrikhalle platziert, deren Abläufe detailgenau digital simuliert werden. Auf diese Weise kann sogar vorausbestimmt werden, wann die Maschine Wartung benötigen wird und wie viel Energie sie in einem bestimmten Zeitraum verbrauchen wird.
Ein virtueller Zwilling eines Industrieroboters.
Die Ursprünge virtueller Zwillinge lassen sich unter anderem auf die in den 1960er Jahren eingeführte CAD-Technik (Computer Aided Design) zurückführen. Mithilfe von CAD-Software können technische Zeichnungen, Pläne und 3D-Modelle digital erstellt und bearbeitet werden. Diese finden überwiegend in den Bereichen Konstruktion, Maschinenbau und Design Anwendung. Durch die Weiterentwicklung der CAD-Technologie wurden immer detailliertere digitale Darstellungen real existierender Maschinen möglich. Allerdings werden diese traditionell von Hand erstellt – entweder von Grund auf oder anhand einer existierenden Vorlage.
Das Konzept virtueller Zwillinge im Rahmen der Produktentwicklung wurde im Jahr 2002 erstmals an der University of Michigan vorgestellt. Die Grundidee bestand bereits damals darin, dass jedes physische System durch ein virtuelles System gespiegelt wird und beide Systeme regelmäßig angeglichen werden.
Was KI für virtuelle Zwillinge leisten kann
Trotz ihrer zukunftsweisenden Ansätze befindet sich die Technologie noch in einem frühen Stadium. Eine der größten Herausforderungen ist die aufwendige Erstellung der digitalen, dreidimensionalen Modelle der virtuellen Zwillinge. Auch heute noch zählt 3D-CAD-Software zu den komplexesten Computeranwendungen. Allerdings prognostizieren Experten dank KI einen Umbruch in diesem Bereich.
Virtuelle Zwillinge per KI-Assistent erstellen
Inzwischen gibt es zahlreiche Apps, die mithilfe von KI-Technologie zweidimensionale Grafiken in dreidimensionale umwandeln können. Eine Lösung, die noch einen Schritt weitergeht, hat das Softwareunternehmen Dassault Systèmes auf der diesjährigen 3DEXPERIENCE-Messe in Houston, Texas vorgestellt. Die nächste Version der professionellen 3D-CAD-Software SolidWorks wird einen KI-Assistenten mitbringen, der auf das Erstellen von 3D-Modellen spezialisiert ist und die Funktionen der Software direkt ansteuern kann.
Ähnlich wie der populäre KI-Chatbot ChatGPT reagiert „Leo” auf Texteingaben und ist somit extrem einfach zu bedienen. Die KI kann nicht nur vorliegende 2D-Grafiken in virtuelle Zwillinge umwandeln. Zudem kann „Leo” auf Basis von Texteingaben 3D-Modelle von Grund auf erstellen, verändern und optimieren. „Leo“ agiert auf Basis aufwendiger, fundierter Physiksimulationen und soll so ungleich bessere Ergebnisse liefern als gängige KI-Chatbots wie ChatGPT. Flankiert wird „Leo“ durch die Assistenten „Aura“ (spezialisiert auf das Sammeln und Ordnen von Informationen) und „Marie“ (spezialisiert auf chemische Vorgänge).
Erstellung eines virtuellen Zwillings mithilfe eines KI-Assistenten
KI-gestützte virtuelle Zwillinge zur Digitalisierung kompletter Unternehmen
Laut Dassault Systèmes gehört die Zukunft zudem dem Konzept der „Industry World Models“. Dabei werden ganze Unternehmen als virtuelle Zwillinge nachgebaut. Dies schließt nicht nur deren Maschinen und interne Abläufe, sondern auch das firmeninterne Know-how mit ein. Mithilfe intelligenter Klassifizierung per KI fließt jeder neue Vorgang automatisch in den virtuellen Zwilling der Firma ein und wird dort abgelegt – vom neu abgeschlossenen Neukundenvertrag bis hin zum IT-Meeting. Das auf diese Weise gesammelte Wissen über die Abläufe der Firma kann mit einfachen Texteingaben durchsucht werden.
In einem Interview mit Welt der Wunder zeigte sich Gian Paolo Bassi von Dassault Systèmes überzeugt, dass Unternehmen in jeder Branche in Zukunft „Industry World Models“ einsetzen werden.
Ein virtueller Zwilling einer real existierenden Fabrikhalle.
Was KI und virtuelle Zwillinge noch können
Virtuelle Zwillinge in der Robotik
THEMIS ist ein humanoider Roboter des Unternehmens Westwood Robotics, benannt nach einer gleichnamigen griechischen Göttin. THEMIS wurde ebenso auf der diesjährigen 3DEXPERIENCE WORLD vorgestellt. Im Gegensatz zu vielen bisherigen humanoiden Systemen kann THEMIS nicht nur aufrecht gehen, sondern aktiv Aufgaben ausführen, d. h. Objekte greifen und bearbeiten, während sie sich bewegt. Diese Fähigkeit hebt sie von Robotern ab, die typischerweise erst anhalten müssen, bevor sie Manipulationen durchführen können. THEMIS wird als Allzweckroboter klassifiziert. Dies setzt drei Fähigkeiten voraus:
- Die Fähigkeit, Dinge aufzuheben
- Die Fähigkeit, in beliebige Richtungen zu navigieren
- Die Fähigkeit, simple Objekte zu manipulieren
Eine weitere Besonderheit ist, dass THEMIS mithilfe eines virtuellen Zwillings trainiert wird. Das bedeutet, dass in einer speziellen Software eine digitale Kopie ihrer kompletten Konstruktion vorliegt. Diese digitale Kopie kann mit Aufgaben betraut werden, die THEMIS in der virtuellen Welt lösen muss, wie etwa das Navigieren durch ein komplexes Gelände. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse kann die physikalische Version von THEMIS anschließend in der realen Welt anwenden.
Virtuelle Zwillinge zur Behandlung von Herzkrankheiten und Alzheimer
Virtuelle Zwillinge finden auch in der Medizin Verwendung. Sie sind hier digitale Abbilder einzelner Organe, die auf individuellen Patientendaten basieren. Inzwischen sind bereits digitale, wissenschaftlich fundierte Modelle von Organen wie Herz und Gehirn möglich. Dadurch ist es möglich, Medikamente sowie medizinische Geräte virtuell zu testen. Ein entscheidender Vorteil von virtuellen Nachbildungen des Herzens ist, dass unterschiedliche Patientengruppen sowie verschiedene Krankheitsstadien berücksichtigt werden können.
Laut John McCarty von Dassault Systèmes können virtuelle Zwillinge sogar auf molekularer Ebene aufgebaut werden. Hierdurch lassen sich sogar die Reaktionen der Organe auf bestimmte Proteine sowie elektrische Vorgänge in Zellen und Geweben berücksichtigen.
Am Beispiel des Herzens entwickelte das Living Heart Project bereits 2015 ein Modell, das die Anatomie, die Muskelstruktur, die Elektrophysiologie, den Blutfluss und verschiedene Krankheitsbilder realistisch nachbildet.
Auch bei der Behandlung von Alzheimer kommen inzwischen virtuelle Zwillinge des Gehirns zum Einsatz. Dabei wird das Gehirn zusätzlich im Kontext des gesamten Körpers betrachtet. Wie inzwischen bekannt ist, können andere Organe wie der Magen-Darm-Trakt und das Herz-Kreislaufsystem oder andere biologische Prozesse die Alzheimer-Entwicklung beeinflussen.
Darüber hinaus werden die erstellten virtuellen Zwillinge kontinuierlich mit realen klinischen Daten aktualisiert und dienen als Ergänzung zu klinischen Studien. Ziel ist eine personalisierte Medizin, bei der Behandlungen individuell simuliert werden können. Dabei bleibt der digitale Zwilling Eigentum des Patienten, der entscheidet, ob seine anonymisierten Daten für Forschung genutzt werden dürfen.
