Noticias Actualidad en procesos industriales

Dele visibilidad a su trayectoria académica

Participe en la convocatoria de trabajos inéditos de Virtual Pro.

Publicar Ahora

2021-06-15Creación de gemelos digitales a escala

MIT |El modelo podría ayudar a que los modelos virtuales predictivos se conviertan en una práctica habitual en la ingeniería.

Imagínese esto: Un dron de reparto sufre una pequeña avería en las alas durante su vuelo. ¿Debe aterrizar inmediatamente, seguir como siempre o cambiar la ruta a un nuevo destino? Un gemelo digital, un modelo informático del dron que ha volado por la misma ruta y ahora experimenta el mismo daño en su mundo virtual, puede ayudar a tomar la decisión.

Los gemelos digitales son una parte importante de la ingeniería, la medicina y la planificación urbana, pero en la mayoría de estos casos cada gemelo es una implementación a medida, personalizada, que sólo funciona con una aplicación específica. Michael Kapteyn SM 18, PhD 21 ha desarrollado ahora un modelo que puede permitir el despliegue de gemelos digitales a escala, creando gemelos para toda una flota de drones, por ejemplo.

Una representación matemática denominada modelo gráfico probabilístico puede ser la base de los gemelos digitales predictivos, según un nuevo estudio de Kapteyn y sus colegas publicado en la revista Nature Computational Science. Los investigadores probaron la idea en un vehículo aéreo no pilotado (UAV) en un escenario como el descrito.

"Las implementaciones personalizadas que se han demostrado hasta ahora suelen requerir una cantidad significativa de recursos, lo que supone un obstáculo para su implantación en el mundo real", explica Kapteyn, que recientemente se ha doctorado en ciencia e ingeniería computacional por el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT.

"Esto se ve agravado por el hecho de que los gemelos digitales son más útiles en situaciones en las que se gestionan muchos activos similares", añade. "Al desarrollar nuestro modelo, siempre tuvimos en mente el objetivo de crear gemelos digitales para toda una flota de aviones, o toda una granja de turbinas eólicas, o una población de pacientes cardíacos humanos".

"Su trabajo amplía los límites de las implementaciones personalizadas de los gemelos digitales, que requieren considerables recursos de despliegue y un alto nivel de conocimientos", afirma Omer San, profesor adjunto de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad Estatal de Oklahoma que no participó en la investigación.

Entre los coautores del artículo de Kapteyn se encuentran su asesora de doctorado Karen Willcox SM 96, PhD 00, profesora visitante del MIT y directora del Instituto Oden de Ingeniería y Ciencias Computacionales de la Universidad de Texas en Austin, y el antiguo estudiante de máster en ingeniería y gestión del MIT Jacob Pretorius 03, actual director de tecnología de The Jessara Group.

Gemelos en evolución

Los gemelos digitales tienen una larga historia en la ingeniería aeroespacial, desde uno de sus primeros usos por parte de la NASA para idear estrategias que permitieran volver a casa sana y salva a la misión lunar del Apolo 13, que estaba paralizada, en 1970. Los investigadores del campo de la medicina han utilizado gemelos digitales en aplicaciones como la cardiología, para considerar tratamientos como la sustitución de válvulas antes de una operación.

Sin embargo, ampliar el uso de gemelos digitales para guiar el vuelo de cientos de satélites o recomendar terapias de precisión a miles de pacientes cardíacos requiere un enfoque diferente al de los gemelos digitales únicos y muy específicos que se crean habitualmente, escriben los investigadores.

Para resolverlo, Kapteyn y sus colegas buscaron una representación matemática unificadora de la relación entre un gemelo digital y su activo físico asociado que no fuera específica para una aplicación o uso concreto. El modelo de los investigadores define matemáticamente un par de sistemas dinámicos físicos y digitales, acoplados a través de flujos de datos bidireccionales que evolucionan en el tiempo. En el caso del UAV, por ejemplo, los parámetros del gemelo digital se calibran primero con los datos recogidos del UAV físico para que su gemelo sea un reflejo exacto desde el principio.

A medida que el estado general del UAV cambia con el tiempo (a través de procesos como el desgaste mecánico y el tiempo de vuelo registrado, entre otros), estos cambios son observados por el gemelo digital y utilizados para actualizar su propio estado de manera que coincida con el UAV físico. Este gemelo digital actualizado puede entonces predecir cómo cambiará el UAV en el futuro, utilizando esta información para dirigir de forma óptima el activo físico en el futuro.

El modelo gráfico permite que cada gemelo digital "se base en el mismo modelo computacional subyacente, pero cada activo físico debe mantener un "estado digital" único que defina una configuración única de este modelo", explica Kapteyn. Esto facilita la creación de gemelos digitales para una gran colección de activos físicos similares".

Caso de prueba de un UAV

Para probar su modelo, el equipo utilizó un UAV de 12 pies de envergadura diseñado y construido junto con Aurora Flight Sciences y equipado con "pegatinas" de sensores de The Jessara Group que se utilizaron para recoger la tensión, la aceleración y otros datos relevantes del UAV.

El UAV fue el banco de pruebas para todo, desde experimentos de calibración hasta un evento simulado de "daños leves". Su gemelo digital fue capaz de analizar los datos de los sensores para extraer información sobre los daños, predecir cómo cambiaría la salud estructural del UAV en el futuro y recomendar cambios en sus maniobras para adaptarse a esos cambios.

El caso del vehículo aéreo no tripulado muestra cómo un modelo gemelo digital similar podría ser útil en otras situaciones en las que el desgaste ambiental desempeña un papel importante en el funcionamiento, como una turbina eólica, un puente o un reactor nuclear, señalan los investigadores en su artículo.

"Creo que esta idea de mantener un conjunto persistente de modelos computacionales que se actualizan y evolucionan constantemente junto a un activo físico durante todo su ciclo de vida es realmente la esencia de los gemelos digitales", dice Kapteyn, "y es lo que hemos intentado plasmar en nuestro modelo".

El enfoque del modelo gráfico probabilístico ayuda a "abarcar sin problemas las diferentes fases del ciclo de vida de los activos", señala. "En nuestro caso particular, esto se manifiesta en que el modelo gráfico se extiende sin problemas desde la fase de calibración hasta nuestra fase operativa, en vuelo, donde realmente empezamos a utilizar el gemelo digital para la toma de decisiones".

La investigación podría ayudar a generalizar el uso de los gemelos digitales, ya que "incluso con las limitaciones existentes, los gemelos digitales están proporcionando un valioso apoyo a la toma de decisiones en muchas áreas de aplicación diferentes", dijo Willcox en una entrevista reciente.

"En última instancia, nos gustaría que la tecnología se utilizara en todos los sistemas de ingeniería", añadió. "En ese momento, podemos empezar a pensar no sólo en cómo un gemelo digital podría cambiar la forma en que operamos el sistema, sino también cómo lo diseñamos en primer lugar".

Este trabajo ha contado con el apoyo parcial de la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas, el Centro Internacional de Diseño SUTD-MIT y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

MIT
Autor
MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...


2024-03-27
Oportunidades y riesgos de la Inteligencia Artificial General y la Superinteligencia

La Inteligencia Artificial (IA) se ha vuelto una tecnología de uso cotidiano. Día a día aparecen nuevas aplicaciones para crear música, hacer vídeos, generar imágenes, producir textos, calificar tareas y automatizar procesos. Las empresas están implementando modelos de aprendizaje automático y aprendizaje profundo para el mejoramiento en la toma de decisiones en sus diferentes áreas. También se están adaptando diversas aplicaciones en la optimización de la mayoría de operaciones logísticas de las cadenas de suministros. En este sentido, es necesario entender ¿qué es la IA General?, y ¿qué es la Superinteligencia?

2024-03-27
La NASA lanzará cohetes sonda a la sombra de la Luna durante el eclipse solar

La NASA lanzará tres cohetes sondeo durante el eclipse solar total del 8 de abril de 2024, para estudiar cómo se ve afectada la atmósfera superior de la Tierra cuando la luz solar se atenúa momentáneamente sobre una parte del planeta.

2024-03-27
Un pequeño dispositivo puede medir cambios sutiles en el campo gravitacional de la Tierra

El instrumento se encuentra entre los gravímetros más pequeños y más baratos jamás construidos.

2024-03-26
Corte y confección del genoma para tratar enfermedades

Recientemente se aprobó en el Reino Unido y en Estados Unidos la primera terapía génica basada en el método CRISPR/Cas9, que combatirá la anemia de células falciformes y la beta talasemia.

2024-03-26
El campo científico y la representatividad de las mujeres en Colombia

Marzo destaca el papel de las mujeres en la ciencia, promoviendo la equidad y la representatividad. Adriana Ocampo, Ángela Camacho, Susana Fiorentino, Nubia Muñoz y Alexandra Olaya-Castro son ejemplos de mujeres que han contribuido significativamente en diversos campos científicos.

2024-03-21
La IA genera imágenes de alta calidad 30 veces más rápido en un solo paso

Un método novedoso hace que herramientas como Stable Diffusion y DALL-E-3 sean más rápidas al simplificar el proceso de generación de imágenes en un solo paso mientras se mantiene o mejora la calidad de la imagen.