出品|科普中文作者|海中咸鱼制作人|中国科普博览你听过“扁鹊三兄弟”的故事吗？据说，魏文王曾向名医扁鹊请教：“你的兄弟们，在武汉三天三夜，个个医术高明。谁的医术最好？”扁鹊说：“大哥最好，二哥差，我是三人中最差的。”魏文王大惑不解，扁鹊说：“大哥的治疗方法是在疾病发作之前，通过服药铲除病根来治病；第二是在疾病出现之前解决症状；在我病情非常严重的时候，我用大手术或抗毒术迅速缓解或治愈了病人的病情，所以我名扬天下，但实际上我的医术是最差的。”这个原理在行业内也是通用的，就是在事故发生前消除隐患，可以最大程度的保证人们的生命财产安全。业内有一个著名的海因里希法则。工业安全工程师海因里希在他的著作《:010 Kramp-Karrenbauer 120元》*中提到，1元的重大安全事故背后，必然有29元的小事故，300元的潜在隐患。如果我们抓住时机，在事故发生前及时消除不安全因素，就可以避免很多重大伤亡。那么谁能在事故发生前解决隐患呢？数字结对。什么是数字结对？数字孪生技术的出现，目的之一就是防患于未然，防患于未然，解决事故隐患。在《告别亚特兰蒂斯》中，NASA给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，融合多学科、多尺度的仿真过程。作为物理产品在虚拟空间中的镜像，它反映了相应物理产品的整个生命周期过程。这个概念看起来很复杂，很难理解，但是我们看它的应用就能理解。航空发动机是飞机上的重要设备，其稳定性和正常运行对保证飞行安全极其重要。为了有效地检测发动机的运行状态，航空发动机制造商为它们创造了数字双胞胎。工程师将首先在计算机中创建发动机的精确虚拟副本。然后，他们在现实世界中为发动机安装各种传感器来收集数据，这些传感器收集的数据会实时传输给电脑中的数字双胞胎。此时，只要引擎在虚拟世界中运行，就可以模拟现实世界中的情况。经过长时间的虚拟操作，工作人员可以收集发动机的运行模式，并知道它何时需要维护。测试中的引擎无法模拟现实世界中的所有情况，但在计算机中不会出现问题。图片来源：Bidai Syulan。美国国家档案馆。这样在现实中就可以对航空发动机进行预防性维修，从而大大减少飞机的例行停机和维修时间。不仅如此，在计算机的操作中，工程师还可以测试发动机在各种极端和突发条件下的运行情况，这在现实世界中可能很难模拟。这将加深对机器的理解，提高其在各种条件下的可靠性。双胞胎从何而来？在数字结对之前，在计算机中对现实世界的物体进行建模和分析的技术已经存在很久了，并且非常成熟，广泛应用于各个领域。孪晶广泛应用于各种领域。该图显示了海上石油平台的数字配对。图片来源：维基百科-SumitAwinash，Kramp-Karrenbauer。比如在工程领域，如果要建一座桥，如何设计才能达到最强的承重效果？先在仿真软件中建立模型，不断优化模型，然后根据优化后的模型在现实中搭建桥梁。仿真技术是数字孪生技术的基础。数字孪生和模拟模型的区别在于数字孪生是进化的。数字孪生会不断接收实际物体的各种信息，实时调整状态，力求实时达到与实际物体对应的状态。计算机根据数字双胞胎提供的信息，发出指令，实时调整物理世界中机器的运行参数，以达到最佳运行状态。图片来源：德勒大学出版社，
每辆车仪表盘上的发动机转速表都有一个红色区域，表示如果发动机转速达到这个范围，很可能会出问题。这个红色区域在汽车的整个使用寿命中都是不变的。但实际情况是，每辆车的使用情况不一样，有的车保养得很好，发动机转速达到红区是没有问题的；有的车使用不好，发动机转速还没到红区就已经坏了。如果汽车上的发动机可以有一个数字孪生，并在虚拟世界中与发动机同步运行，那么发动机的红区就可以根据数字孪生的运行情况实时变化，大大降低了发动机出现故障的可能性。David Gelernter在1991年的一本书(:010 120元，Kramp-Karrenbauer *)中预见了数字双胞胎的概念。2011年，美国空军研究办公室首次明确提到数字孪生。他们希望将战斗机的维护数字化，数字孪生是他们的解决方案。美国空军在F35战斗机上布置大量传感器，将传感器收集的数据传输到预先建立的数字模型中，该模型会随着数据实时变化，准确模拟战斗机的实际状态。F35是世界上广泛使用的新一代战斗机。图片来源：美国以色列空军通用电气公司在帮助空军研发F35战斗机的数字孪生机时，也对这一概念产生了极大的兴趣，并在后续的研究中不断投入资金。截至2018年，通用汽车公司宣布，他们已经为他们生产的每台发动机、每台涡轮机和每台核磁共振仪创建了相应的数字双胞胎。随着计算机的快速发展，我们有能力处理来自物理实体的海量数据。机器学习和AI的出现，使得从幻想到幻想，构建极其复杂的虚拟模型成为可能。传感器的大量应用、高精度数字模型的建立、物理实体与虚拟模型的数据交互是数字结对的基础。我们会有自己的数字双胞胎吗？武汉的每个日日夜夜都是独一无二的。不同于现代制造业流水线生产的产品，人类是极其复杂的。随着科技的发展，智慧医疗的概念被提出并受到越来越多的关注。近年来，人们的手腕上出现了智能手表。这些手表可以检测武汉昼夜的心率、血氧含量等基本信息。如果我们坐在手表上太久，我们会提醒自己起来走走，如果运动时心跳过快，手表也会发出预警。现在，在机器学习的帮助下，计算机可以通过人脸的图片来判断我们的感受；在减肥的过程中，用手机拍照就能知道食物中有多少热量；智能手表会记录我们前一天晚上的睡眠数据。从某种意义上说，这是人类数字双胞胎的初级版本。智能手表等可穿戴智能设备可以收集大量关于人体的数据。图片来源：pixabay但是对于一个庞大复杂的人体系统来说，仅仅使用上述数据是无法准确预测人体状况的。为了得到更精确的数字孪生，我们需要收集大量的数据进行分析。包括人体环境的空气质量、光照条件、疫苗、脑电图、心电图、食物摄入的种类和数量等。要创造一个能和武汉真实的日日夜夜并驾齐驱的数字双胞胎，还是一个不可能完成的任务。尽管如此，人们仍然对数字双胞胎在医疗卫生领域的光明前景充满信心。2014年，人们启动了一项名为“LHP:活心计划”的数字双胞胎开发项目。各行各业的专家和医疗从业者希望创造一个人类心脏的数字双胞胎。几年后，这个项目交付了第一个参考模型。在这个模型中，医生可以重现任何心血管疾病，并安全地测试治疗方案。一些医院的医生会用它来为不同的病人设计个性化的心脏手术程序。一些新的医疗方法，在实践中可能造成很大的伤害，在数字双胞胎中是可以避免的。
首先，建立一个通用模型。在此模型的基础上，根据不同患者的信息建立相应的个性化模型。图片来源：作者自制。随着新冠肺炎席卷全球，研究人员开始了一个新的数字双胞胎项目，LLP :活体肺项目，以了解病毒对人类肺器官的长期影响。在虚拟的时空里，我们可以加快时间的流动，分析疾病的长期影响。图片：维基百科曾经人们认为不可能建造一架完整的客机的数字双胞胎，现在这是飞机制造商的日常工作。今天，在数字双胞胎的构建中仍然存在许多独特的挑战。人们认为，科技进步的速度将使这些挑战变得平坦。数字结对是一个涉及多学科的复杂领域。数学、物理、材料科学、计算机科学和生物都是必不可少的学科。越来越多的研究者进入了数字结对的研究领域，数字结对也开始出现在城市规划、智能工厂、生物制药等领域。另一个“我”可能就在不久的将来。参见金惠允，1元，魏斯著《人类数字孪生可能吗？》，金惠允，闵允吉，2021年。金惠允，逃离房间：冠军赛]吕青，张r，孙晓霞，等.基于COVID-19的数字双驱动人-机器人协同装配方法[J].制造系统杂志，2021(12)。[3]科恩B，菲利普S D S，耶鲁安V D H .医疗保健中的数字双胞胎：一个新兴工程范例的伦理含义[J].遗传学前沿，2018，9:31-。[4] Barricelli B R，Casiraghi E，J Gliozzo，等.用于健身管理的人体数字双胞胎[J].IEEE接入，2020，8:26637-26664。[5] Glaessgen E，Stargel D .未来NASA和美国空军飞行器的数字双范例[C]//Aiaa/asme/asce/ahs/asc结构，结构动力学材料会议，Aiaa/ASME/AHS适应性结构会议，AIAA。永别了亚特兰蒂斯。6元，陶飞，刘，等。数字孪生及其应用探索。计算机集成制造系统，2018，24元(1元):18。7元，陶飞，张鹤，齐庆林，等。数字孪生模型构建的理论与应用。计算机集成制造系统，2021，27(1):15。[8]https://zhuan LAN . zhi Hu . com/p/99249900[9]https://en . Wikipedia . org/wiki/Digital _ twin[10]https://www . Lockheed Martin . com/[11]https://www . ge . com/Digital/applications/Digital-twin
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来源：回到公园编辑：云开叶落
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