Cơ hội thay đổi sản xuất, y tế bằng công nghệ bản sao kỹ thuật số

Nhà máy BMW ảo là ví dụ hoàn hảo của “digital twin” (bản sao kỹ thuật số): tái tạo một vật thể hoặc môi trường trong không gian ảo. Ý tưởng nghe có vẻ như trong phim khoa học viễn tưởng hay thí nghiệm phù phiếm nào đó. Tại sao phải dành thời gian và nguồn lực tạo ra phiên bản kỹ thuật số của một thứ đã tồn tại ngoài đời?

Dù vậy, digital twin đang chứng minh sự vô giá trong nhiều ngành nghề khác nhau, đặc biệt khi liên quan đến các đối tượng đắt đỏ, quý hiếm. Được tạo ra bằng cách nạp video, hình ảnh, thiết kế hoặc dữ liệu vào phần mềm lập bản đồ 3D tiên tiến, bản sao kỹ thuật số được dùng trong y học để tái tạo và nghiên cứu nội tạng. Chúng giúp các kỹ sư phát minh nguyên mẫu xe hơi, máy bay nhanh hơn. Chúng cho phép các kỹ sư và nhà quy hoạch đô thị hình dung và xây dựng các tòa nhà chọc trời, khu phố một cách rõ ràng, chính xác. 

Bản sao kỹ thuật số trong y học

Tháng 4/2021, nhà sản xuất chip Nvidia ra mắt phiên bản công cụ giả lập Omniverse 3D, hỗ trợ các doanh nghiệp tạo ra các kết xuất 3D của riêng họ, bao gồm bản sao kỹ thuật số. Amazon Web Services công bố dịch vụ IoT TwinMaker vào tháng 11/2021. Theo hãng nghiên cứu Research and Markets, thị trường digital twin đạt doanh thu hơn 3 tỷ USD năm 2020. Các lãnh đạo công nghệ nhận định chúng ta mới ở buổi bình minh của công nghệ này.

Thực tế, luôn cần có bản sao kỹ thuật số. Thập niên 60, NASA tạo ra bản sao vật lý của tàu không gian và kết nối chúng với một thiết bị mô phỏng, phòng trường hợp nếu xảy ra sự cố trên con tàu thật cách đó hàng ngàn dặm, họ có thể tìm ra giải pháp trên mặt đất. Theo Dave Rhodes, Phó Chủ tịch cấp cao phụ trách digital twin tại công ty video game và nền tảng 3D Unity Technologies, công nghệ digital twin hiện chỉ được ứng dụng rộng rãi vì các yếu tố như năng lực điện toán của các hệ thống đám mây tăng lên, sự phổ biến của 5G, cải thiện trong dựng 3D và nhu cầu làm việc từ xa do Covid-19.

Bản sao kỹ thuật số có thể mô phỏng các vật thể ngoài đời từ nhỏ bé tới khổng lồ. Chẳng hạn, tại Ba Lan, một nhóm bác sỹ và chuyên gia công nghệ sẽ bắt đầu từ một trong những vật thể tí hon nhất, đó là tim thai của con người. Khoảng 1 trong 100 em bé sơ sinh mắc bệnh tim bẩm sinh, vô cùng nghiêm trọng nếu không được điều trị. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra hơn một nửa những bệnh này không được phát hiện. Trong khi đó, máy mô phỏng siêu âm lại đắt đỏ và cồng kềnh và hầu hết các trường y không bao gồm đào tạo trực tiếp. Marcin Wiechec, bác sỹ tại Đại học Jagiellonian, chia sẻ, gần như các ca phát hiện bệnh tim bẩm sinh đầu tiên mà họ gặp phải đều là trong phòng khám.

Vì vậy, Wiechec và nhóm của ông tạo ra Fetal Heart VR, cho phép bác sỹ hướng đầu dò qua một cái vòm giống như bụng bầu để nghiên cứu nhịp tim thai bình thường và bất thường giống hệt ngoài đời thông qua một thiết bị đeo VR. Wiechec dùng ứng dụng để giảng dạy tại Krakow. Jill Beithon, một nhân viên siêu âm đã nghỉ hưu tại Fergus Falls, cho biết ứng dụng sẽ mang lại lợi ích to lớn cho các nhân viên y tế không có nhiều cơ hội tiếp cận nguồn lực hay trung tâm đào tạo hiện đại.  

Công nghệ bản sao kỹ thuật số đang được thử nghiệm trong ngành y tế để lập kế hoạch quy trình phẫu thuật, khám phá nguy cơ của các loại thuốc đến tim. Vào tháng 11/2021, 7 nhà nghiên cứu y khoa tại Mỹ kêu gọi tăng cường các nghiên cứu lâm sàng về “bản sao kỹ thuật số bệnh nhân ung thư” để theo dõi chính xác trạng thái thể chất và điều chỉnh phương pháp điều trị hợp lý. “Bản sao kỹ thuật số sẽ cách mạng hóa cách điều trị và quản lý ung thư cũng như hàng loạt bệnh lý phức tạp khác”, các nhà nghiên cứu viết trên tạp chí Nature Medicine.

Ứng dụng trong sản xuất và hơn thế nữa

Ngành công nghiệp ô tô cũng đang chuyển mình. Quay lại Regensburg, nơi đặt nhà máy BMW. Hiện nay, BMW có thể kiểm tra hay chỉnh sửa các bộ phận trong dây chuyền sản xuất mà không cần phải di dời máy móc nặng nề. Công ước tính có thể cắt giảm ít nhất 25% thời gian lên kế hoạch vận hành nhà máy. Vài tháng trước đó, các giám đốc nhà máy đã tạo ra loại thiết bị mới đầu tiên bên trong digital win. Nếu theo cách làm cũ, họ phải phác thảo, xây dựng mô phỏng bằng bìa cứng rất mất thời gian. Do Covid-19, họ cũng hạn chế số lượng người tại công xưởng. Nhờ bản sao kỹ thuật số, họ có thể làm việc trong không gian ảo, thử nghiệm và có nhiều phiên bản khác nhau mà không quá tốn kém. Máy mới được lắp đặt trong kỳ nghỉ nhưng trước đó, nhân viên đã được hướng dẫn cách sử dụng, cũng thông qua digital twin.

Tại Pittsburgh, Ding Zhao, một trợ lý Giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Carnegie Mellon, hợp tác cùng các nhà sản xuất xe hơi sử dụng bản sao kỹ thuật số để nâng cao độ an toàn của các xe tự lái. Trong phòng thí nghiệm của mình, ông tận dụng khối lượng dữ liệu khổng lồ từ các bài kiểm tra xe tự lái ngoài đời thực để xây dựng mô phỏng digital twin phức tạp. Chúng sẽ dự đoán trí tuệ nhân tạo trên phương tiện phản ứng thế nào trong các tình huống nguy hiểm khó lường, chẳng hạn khi nhập làn cao tốc trong điều kiện trời tối, tuyết dầy đặc hay khi kẹt giữa 2 xe tải.

Quan trọng hơn, digital twin cho phép các nhà nghiên cứu chạy vô số mô phỏng va chạm mà không phải phá hủy xe hay gây nguy hiểm cho con người. Điều đó đồng nghĩa bản sao kỹ thuật số ngày càng cần thiết đối với quá trình phát triển xe tự lái. “Các bài kiểm tra thực tế quá đắt và đôi khi không hiệu quả”, ông Zhao nói. Digital twin được dùng trong nhiều cỗ máy phức tạp và đôi khi nguy hiểm, từ lò phản ứng hạt nhân tại Idaho đến turbine gió tại Paris.

Những người khác đang triển khai digital twin với quy mô thậm chí còn lớn hơn, đó là tạo ra bản sao kỹ thuật số của toàn bộ một thành phố hay một quốc gia. Năm 2021, tổ chức phát triển cộng đồng phi lợi nhuận Orlando Economic Partnership thông báo hợp tác với Unity để xây dựng bản áo kỹ thuật số của thành phố Florida. CEO Tim Giuliani hi vọng nó sẽ được dùng như một nguồn lực công cộng và “hạ tầng xương sống”, cho phép các chuyên gia vận tải xem xét hệ thống xe lửa có thể tác động đế khu vực như thế nào, hay để các công ty tiện ích lập bản đồ mạng lưới 5G và để các nhà khí hậu học nghiên cứu tác động tiềm tàng của biến đội khí hậu. Ông ước tính chi phí dự án vào khoảng 1 đến 2 triệu USD.

Tất nhiên, tạo ra bản sao kỹ thuật số quy mô lớn cũng đặt ra những câu hỏi về quyền riêng tư và an ninh mạng. Nhiều bản sao chỉ ra đời nếu dùng nhiều loại cảm biến theo dõi dữ liệu và chuyển động thực tế. Công nhân tại các nhà máy có thể cảm thấy bất tiện khi nhất cử nhất động đều được theo sát; hoặc nếu một hacker xâm nhập được vào digital twin, hắn sẽ biết được tường tận mọi thứ về hệ thống độc quyền. Ông Zhao nhấn mạnh cần phải có quy tắc quản lý cho vấn đề này.

BMW dự định đưa mô hình bản sao kỹ thuật số nhà máy ra toàn cầu. Công ty đang trong giai đoạn xây dựng một nhà máy mới tại Hungary, được lên mẫu hoàn toàn trong Omniverse của Nvidia. BMW sẽ sớm áp dụng digital twin tại tất cả cơ sở. Bachmann, Giám đốc nhà máy BMW Regensburg, cho biết lợi ích của digital twin chỉ có thể được nhận thức đầy đủ khi mọi nhà máy đều được số hóa theo cách tiêu chuẩn.

Du Lam