Víctor Manuel Sámano-Ortega Juan José Martínez-Nolasco Seguramente ya habías escuchado el término «gemelos idénticos». Tal vez conoces a hermanos que son gemelos idénticos o incluso tú tengas un hermano que es tu gemelo idéntico. Se llaman gemelos idénticos o monocigóticos porque ambos hermanos se forman a partir de una misma célula y comparten los mismos genes. Como su información genética es la misma, tienen las mismas características físicas: las dos son mujeres o los dos son hombres, tienen el mismo color de piel, el mismo color de ojos, ambos tienen el cabello rizado o lacio, etc. Pero, aunque se denominen gemelos idénticos, algunas condiciones ambientales pueden modificar las características de los hermanos, haciendo que no sean exactamente iguales entre sí. En ingeniería también hay «gemelos idénticos», y no se trata de los hermanos de los ingenieros, sino de los gemelos de sistemas físicos. Un sistema físico es un conjunto de piezas que, unidas, realizan una tarea específica. Un sistema físico puede ser un aparato, como un televisor que tiene una pantalla, botones, circuitos electrónicos, etc., y estas piezas, interactuando en conjunto, te permiten ver tu programa favorito. Un sistema físico también podría ser un medio de transporte como un automóvil que cuenta, entre otras cosas, con pedales, ruedas y un motor; todos estos elementos unidos te permiten viajar de un lugar a otro. En ingeniería, a los gemelos de los sistemas físicos se les denomina gemelos digitales, y de forma similar a los gemelos idénticos, tienen las mismas características que un sistema físico. Pero este gemelo no es su hermano, se trata de una computadora, o un programa de computadora, que se comporta de la misma forma que el sistema físico. Un gemelo digital imita a un sistema físico de forma que ambos resultan idénticos, pero la similitud entre ellos no radica en su apariencia, ya que los gemelos idénticos se ven prácticamente iguales; sin embargo, una computadora no se ve igual a un automóvil, por ejemplo. Para una persona, los gemelos idénticos son iguales porque los percibe así a través del sentido de la vista. En ingeniería, un sistema físico y su gemelo digital también se «ven» iguales, pero no se perciben a través del sentido de la vista, sino a través de sensores. Un sensor es un dispositivo que convierte una característica de la realidad, como color, distancia, velocidad, etc., en una señal de voltaje o corriente o en un dato. Entonces, un gemelo digital es básicamente una computadora que genera estas señales de modo que se percibe, a través de ellas, idéntica a un sistema físico. Por lo tanto, un gemelo digital podría considerarse como una réplica virtual de un sistema físico. Para generar una réplica virtual de un sistema físico, primero es necesario conocer las características que se han de replicar, esto se consigue planteando un modelo matemático, es decir, se describe cuál es el comportamiento del sistema usando operaciones matemáticas. Posteriormente, estas operaciones se resuelven usando una computadora. Como algunos sistemas físicos son muy rápidos, piensa, por ejemplo, en el tiempo que tarda en encender un foco con iluminación led (sistema físico eléctrico) cuando accionas el interruptor, es necesario el uso de computadoras electrónicas capaces de realizar un gran número de operaciones en un periodo de tiempo corto. Estas computadoras tienen la capacidad de resolver decenas, o incluso, cientos de millones de operaciones por segundo. Además, tienen la capacidad de generar señales eléctricas de corriente o voltaje. Ahora bien, si un gemelo digital es idéntico a un sistema físico, pero solo si se contrastan observándolos a través de señales eléctricas, ¿cuál es su utilidad? Ya se mencionó que un automóvil puede considerarse como un sistema físico, ahora piensa en sus elementos que funcionan de forma automática, por ejemplo, los autos cuentan con un controlador (una pequeña computadora) que, junto con sensores y actuadores en las ruedas, ayuda al conductor a frenar. Esta parte se llama ABS (Sistema Antibloqueo de Frenos) y puede salvar la vida de quienes viajan en el auto en caso de una frenada de emergencia. Los ingenieros que diseñen un ABS deberán validar su funcionamiento antes de instalarlo en un coche. Piensa en el proceso de validación como una etapa en la que los ingenieros aún no saben del todo si el ABS funciona adecuadamente y lo están averiguando ¿Y si el ABS no funciona como debiera? Esto pondría en riesgo la integridad del auto y, más importante, la de las personas que viajan en él. Para evitar este riesgo, los ingenieros pueden probar el ABS no con un auto, sino con su gemelo digital. ¿Pero cómo es esto posible? El controlador del ABS percibe al auto a través de señales eléctricas, y como su gemelo digital genera estas señales, para el controlador estos dos entes, auto y gemelo digital, son indistintos. De esta forma, una falla inesperada en el ABS representaría un riesgo y los ingenieros pueden identificar las causas de la falla y solucionar este inconveniente. Además de detectar problemas de forma anticipada, los gemelos digitales sirven a los ingenieros para reducir los tiempos de inactividad en las empresas, reducir los costos de la etapa de prueba y comparar mucha información sobre un sistema físico de forma rápida. No todos los gemelos digitales son usados para validar el funcionamiento del ABS de un automóvil. En general, se emplean en los casos en que validar el funcionamiento de un sistema físico implica un riesgo. O para el monitoreo de un sistema físico. Por ejemplo, con un gemelo digital se pueden validar algunas partes de un avión, de un barco, de una nave espacial o incluso un marcapasos; en este caso, el gemelo digital sustituye al corazón humano en el proceso de validación. Los gemelos digitales también se usan comúnmente para validar sistemas físicos cuando su funcionamiento depende de condiciones que no se presentan con mucha frecuencia, este es el caso de algunos sistemas de generación de energía renovable. Por ejemplo, la energía que produce un panel fotovoltaico depende de las estaciones del año, por ello, en lugar de esperar a que transcurran cada una de las estaciones, un ingeniero puede probar un panel en condiciones frías y de poca luz solar, aun en primavera, usando un gemelo digital. ¿Imaginas cómo sería el mundo si todos usáramos un avión, un barco o un marcapasos sin saber con certeza si funciona adecuadamente o no?
Arias F.J.T., Zuñiga K.M., Zambrano M.M.T. y Cruzatty J.E.Á. (2022). Gemelos digitales en la industria. Revista Científica Arbitrada Multidisciplinaria Pentaciencias, 4(1), 75-83. https://editorialalema.org/index.php/pentaciencias/article/view/29 NIH. (2004). National Human Geenome Research Institute. Gemelos idénticos. https://www.genome.gov/es/genetics-glossary/Gemelos-identicos ViewNext. ¿Qué son los gemelos digitales? An IMB Subsidiary. https://www.viewnext.com/que-son-los-gemelos-digitales/
Estudiante del programa de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería,
Tecnológico Nacional de México en Celaya.
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Profesor e investigador del Departamento de Ingeniería Mecatrónica,
Tecnológico Nacional de México en Celaya.
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Los gemelos en ingeniería
¿Para qué se usan los gemelos digitales?
