Gemelos digitales: la clave para el desarrollo de productos inteligentes

Jul 13, 2023

Las empresas viven o mueren por su capacidad para desarrollar y lanzar nuevos productos. Durante los próximos cinco años, estimamos que alrededor de 30 billones de dólares en ingresos corporativos dependerán de productos que aún no han llegado al mercado.

Sin embargo, crear nuevos productos exitosos es cada vez más difícil. Para ofrecer a los clientes una razón convincente para comprar, los productos necesitan cada vez más mejoras de rendimiento y características que requieren la integración de tecnologías novedosas y complejas. Cada vez más consumidores también esperan que los productos de próxima generación sean más sostenibles, lo que crea nuevas limitaciones en torno a la selección de materiales y componentes, la reparabilidad y las consideraciones sobre el final de su vida útil. Y la presión para mantener bajos los costos de I+D es más implacable que nunca.

En este contexto, las empresas buscan mejorar sus capacidades de desarrollo de productos digitales, viendo estas tecnologías como una forma de acelerar los ciclos de diseño e ingeniería y al mismo tiempo reducir costos mediante la optimización de los procesos de I+D. En una encuesta, el 75 por ciento de los ejecutivos de desarrollo de productos dijeron que una mayor digitalización era una prioridad clave para ellos.1 Mercado de gemelos digitales por empresa, aplicación (mantenimiento predictivo, optimización empresarial), industria (aeroespacial, automotriz y transporte, atención médica, infraestructura, energía y servicios públicos) y geografía: pronóstico global hasta 2027, Research and Markets, julio de 2022.

Los enfoques de desarrollo de productos digitales también están evolucionando rápidamente, basándose en avances en potencia informática, enfoques analíticos e inteligencia artificial. Esto ha llevado al surgimiento de los gemelos digitales: réplicas digitales de productos actuales o futuros que pueden simular todas las características de sus homólogos físicos. Interactuar o modificar un producto en un espacio virtual puede ser más rápido, más fácil y más seguro que hacerlo en el mundo real.

Los líderes de desarrollo de productos esperan que los gemelos digitales aceleren los procesos de desarrollo de productos y mejoren los resultados, al mismo tiempo que reducen los costos. Se están apresurando a invertir en el concepto, y se prevé que el mercado mundial de tecnologías de gemelos digitales crecerá aproximadamente un 60 por ciento anual durante los próximos cinco años, alcanzando los 73.500 millones de dólares en 2027.2 Mercado de gemelos digitales por empresa, aplicación (mantenimiento predictivo, optimización empresarial) ), industria (aeroespacial, automotriz y transporte, atención médica, infraestructura, energía y servicios públicos) y geografía: pronóstico global hasta 2027, Research and Markets, julio de 2022.

Los líderes de desarrollo de productos esperan que los gemelos digitales aceleren los procesos de desarrollo de productos y mejoren los resultados, al mismo tiempo que reducen los costos.

En este artículo, analizaremos la forma en que se utilizan los gemelos digitales en la industria actual, examinaremos los factores que sustentan una estrategia exitosa de gemelos digitales y discutiremos la evolución futura de esta impactante tecnología.

Un gemelo digital es una réplica virtual del comportamiento de un sistema en su entorno operativo. Ese sistema, que puede ser un producto, un proceso de fabricación o incluso una cadena de suministro completa, está representado por una colección de modelos digitales. Esos modelos procesan y reaccionan a diversos estímulos, que son datos que representan el entorno externo. Los gemelos digitales combinan múltiples tipos de modelos y procesan datos de múltiples fuentes. Eso les permite ofrecer una mejor aproximación de un objeto real que los enfoques de simulación tradicionales.

En este artículo, nos centraremos en los gemelos digitales de productos. Estos se pueden caracterizar por tres dimensiones clave: el nivel de modelado y sofisticación de los datos empleados, el alcance físico del gemelo y las partes de la cadena de valor que abarca (tabla).

Mesa.Los gemelos digitales pueden operar a niveles cada vez mayores de inclusión, alcance y sofisticación de la cadena de valor.

A medida que las organizaciones aprenden a construir y utilizar gemelos digitales, atraviesan cada una de estas dimensiones, comenzando por la más simple. El alcance de un gemelo digital temprano podría ser un componente único y crítico, por ejemplo, expandiéndose a un producto completo a medida que aumenta el nivel de madurez del gemelo digital de la empresa. De manera similar, los primeros gemelos digitales pueden aplicarse solo en un área de la cadena de valor, a menudo en ingeniería, mientras que los gemelos posteriores también pueden simular el producto en la fabricación y el uso.

En las industrias avanzadas, los datos de las encuestas indican que casi el 75 por ciento de las empresas ya han adoptado tecnologías de gemelos digitales que han alcanzado al menos niveles medios de complejidad. Sin embargo, existe una variación significativa entre sectores. Los actores de las industrias automotriz (y aeroespacial y de defensa) parecen estar más avanzados en el uso de gemelos digitales hoy en día, mientras que los actores de logística, infraestructura y energía tienen más probabilidades de estar desarrollando sus primeros conceptos de gemelos digitales.

En las industrias avanzadas, los datos de las encuestas indican que casi el 75 por ciento de las empresas ya han adoptado tecnologías de gemelos digitales que han alcanzado al menos niveles medios de complejidad.

Una importante empresa aeroespacial está desarrollando un sistema de optimización de geometría basado en aprendizaje automático que puede simular miles de configuraciones diferentes a alta velocidad para identificar ahorros de peso, mejoras aerodinámicas y otros beneficios de rendimiento. Una empresa europea de software está construyendo un modelo multifísico del corazón humano para apoyar el desarrollo de fármacos y dispositivos médicos.

En Estados Unidos, una empresa automotriz está construyendo un sistema que puede modelar todas las configuraciones de software y hardware que ofrece. El sistema se utilizará para simular el efecto de las mejoras de diseño antes de que se entreguen a los clientes como actualizaciones inalámbricas. Y una empresa industrial multinacional estadounidense está desarrollando modelos multifísicos de turbinas para permitir la predicción del desgaste en tiempo real, el ajuste del rendimiento y la optimización de la producción en función de la vida útil y el costo total de propiedad.

Estas empresas y otros pioneros de los gemelos digitales citan cuatro motivaciones principales para su inversión en la tecnología.

Nuestras conversaciones con altos líderes de I+D muestran que los gemelos digitales ya están marcando una diferencia significativa en el rendimiento del desarrollo de productos. Han reducido los tiempos totales de desarrollo entre un 20 y un 50 por ciento para algunos usuarios, reduciendo los costos a lo largo del camino. Para otros, han reducido el número de costosos prototipos de preproducción que deben construirse, a menudo de dos o tres a solo uno. Debido a que gran parte del trabajo de prueba, verificación y aceptación del cliente se puede completar en un entorno virtual, algunas empresas informan que los productos que comienzan como gemelos digitales tienen un 25 por ciento menos de problemas de calidad cuando entran en producción. También tienen mayores posibilidades de tener éxito comercial: una empresa informó entre un 3 y un 5 por ciento más de ventas de productos basados ​​en gemelos digitales, gracias a mejores características, mayor calidad y mayor satisfacción del cliente. Por último, un gemelo digital creado durante el desarrollo de productos puede permitir a las empresas ofrecer una gama de servicios posventa de valor añadido, incluido el mantenimiento predictivo y la optimización del rendimiento en servicio. Eso puede aumentar los ingresos entre un 5 y un 10 por ciento en algunas categorías de productos.

La integración de la tecnología de gemelos digitales en las primeras etapas del desarrollo de productos podría permitir a las empresas adoptar procesos que funcionen más rápido, ofrezcan mejores resultados y los acerquen a sus clientes. Tomemos como ejemplo el diseño de productos complejos y altamente personalizados, como máquinas para fabricación avanzada. Estos productos suelen fabricarse de forma única o en volúmenes extremadamente pequeños, y cada unidad requiere una importante aportación de ingeniería inicial. Utilizando métodos de ingeniería convencionales, la ausencia de prototipos significa que estos productos a menudo requieren un trabajo importante después de la entrega para solucionar problemas y optimizar el rendimiento.

La integración de la tecnología de gemelos digitales en las primeras etapas del desarrollo de productos podría permitir a las empresas adoptar procesos que funcionen más rápido, ofrezcan mejores resultados y los acerquen a sus clientes.

Por el contrario, una empresa con una sólida plataforma de gemelo digital puede realizar simulaciones integrales de todo el producto en un entorno virtual antes de que el cliente apruebe cualquier diseño propuesto. Dado que las máquinas complejas suelen utilizar una combinación de elementos existentes y de nueva ingeniería, las empresas pueden mantener una biblioteca de modelos de gemelos digitales de componentes clave, combinándolos con los modelos de piezas nuevas para crear el gemelo digital completo. Ese gemelo se puede utilizar para demostrar la solución propuesta al cliente y verificar que el nuevo diseño satisface sus necesidades. Y los modelos gemelos digitales de los nuevos componentes se pueden agregar a la biblioteca, haciéndolos disponibles para proyectos futuros con requisitos similares.

Sin embargo, construir una plataforma de gemelo digital es complicado. Los primeros usuarios informan de los desafíos que plantea la integración de tecnologías de gemelos digitales en su entorno de desarrollo de productos digitales existente y en una infraestructura de TI más amplia, por ejemplo. Los gemelos digitales también requieren nuevas formas de trabajar, tanto dentro como fuera de las funciones de I+D. Eso significa que un programa de gemelos digitales exitoso es un esfuerzo de gestión del cambio, que requiere compromiso y apoyo de la alta dirección, y un sólido equipo de gestión del programa para realizar un seguimiento de los hitos, desarrollar nuevos procesos y respaldar su adopción por parte de la organización.

Para superar estos posibles obstáculos, las empresas pueden adoptar un enfoque gradual para la adopción de gemelos digitales. Las primeras tres fases abordan los desafíos tecnológicos de la selección de plataformas, el diseño de la arquitectura y la integración. Las fases posteriores se centran en la transformación organizacional necesaria para respaldar nuevos procesos y prácticas de trabajo.

Estas tres fases requerirán personal con una variedad de habilidades especializadas, incluidos ingenieros de sistemas para la definición de requisitos y analistas para el desarrollo de modelos. En su punto máximo, un equipo de desarrollo de plataforma gemela digital puede involucrar a unas 50 personas.

Para integrar la tecnología de gemelos digitales en la organización, las empresas pueden optar por uno de tres arquetipos (exposición). El equipo del gemelo digital podría estructurarse como una unidad de negocios separada que sea responsable de crear su propia cartera distinta de activos digitales que se venden junto con los activos físicos correspondientes. O el equipo del gemelo digital podría integrarse en una unidad de negocios existente, enfocándose en desarrollar y respaldar aplicaciones del gemelo digital asociadas con los productos de ese negocio. Este enfoque puede ser una buena manera de adquirir experiencia con los gemelos digitales, o podría ser apropiado cuando las sinergias limitadas entre las unidades de negocios significan que hay poco valor adicional que ganar al crear el equipo del gemelo digital como una unidad separada. Finalmente, el equipo del gemelo digital puede operar como un centro de excelencia independiente que respalde el desarrollo de aplicaciones dentro de las unidades de negocios existentes. Este enfoque ayuda a las empresas a escalar rápidamente sus esfuerzos de gemelos digitales, al tiempo que garantiza procesos y componentes tecnológicos consistentes.

Los gemelos digitales están ayudando a las empresas de productos a capitalizar los avances recientes en la inteligencia artificial del Internet de las cosas. A medida que estas tecnologías continúan su rápido progreso reciente, se puede esperar que los gemelos digitales evolucionen en paralelo. Es factible que los gemelos digitales pronto puedan buscar proactivamente nuevos conocimientos, por ejemplo, alterando la configuración de los sensores y el hardware de adquisición instalado en los productos en el campo. Podrán utilizar esos datos para perfeccionar sus propios modelos y generar nuevos conocimientos para fabricantes y usuarios. La interacción entre gemelos digitales permitirá la simulación de entornos altamente complejos, como operaciones portuarias, sistemas de transporte urbano o cadenas de suministro de ingeniería de múltiples partes interesadas. Con el tiempo, es posible que veamos el surgimiento de gemelos digitales capaces de aprender de sus propias experiencias, identificar oportunidades y ofrecer sugerencias de mejora de productos de forma totalmente autónoma.

Roberto Argolinies socio de la oficina de McKinsey en Milán, dondeFederico Bonalumies consultor yStefania Pellegrinelli es socio asociado; yJohannes Deichmannes socio de la oficina de Stuttgart.

Los autores desean agradecer a Chris Anagnostopoulos, Riccardo Bagnara, Ondrej Burkacky, Riccardo Calza, Matteo Grandini, Hugues Lavandier, Alessandro Mattozzi, Simona Morachioli, Gianfredo Romano y Rafael Westinner por sus contribuciones a este artículo.