La Industria 4. 0 está revolucionando actualmente el diseño, la fabricación y los servicios de las aplicaciones sanitarias. Incluye la automatización y digitalización de las técnicas de fabricación, la adquisición y el análisis de los datos del proceso y la comunicación entre máquinas. En conjunto, estas innovaciones dan lugar a procesos autogestionados que convierten las prácticas y la fabricación tradicionales en las llamadas fábricas inteligentes.
¿Qué es un gemelo digital?
Un aspecto importante de estas fábricas inteligentes son los gemelos digitales. Un gemelo digital se describe comúnmente como una réplica virtual de un producto o proceso físico . Es un verdadero – ordenador del tiempo modelo que puede utilizarse para predecir los resultados del proceso, optimizar el diseño de un proceso o supervisar y controlar el proceso de producción. El gemelo digital recibe datos de los sensores del proceso en tiempo real y utiliza datos históricos o supuestos fundacionales (por ejemplo, leyes físicas) para simular la evolución del proceso.
"Un gemelo digital puede utilizarse para predecir los resultados del proceso, optimizar el diseño de un proceso o supervisar y controlar el proceso de producción".
De este modo, se puede aumentar tanto la eficacia como la calidad del proceso, lo que también genera un importante coste-beneficio económico. Esto es especialmente importante en el caso de los ATMP, cuyos procesos de fabricación suelen ser muy complejos y a menudo sufren una gran variabilidad.
Los modelos informáticos que se utilizan en los gemelos digitales pueden subdividirse en los llamados modelos mecanicistas y los basados en datos. Ambos tipos de modelos tienen sus propios puntos fuertes y débiles, y algunos gemelos digitales pueden utilizar principalmente o incluso exclusivamente uno u otro, dependiendo de la aplicación. Sin embargo, los gemelos digitales más exitosos suelen utilizar una combinación de ambos.
Pero primero, veamos las diferencias entre estos modelos.
Modelo mecanicista: conocimiento del proceso
Los modelos mecanicistas se basan directamente en las leyes científicas subyacentes del proceso. La mayor ventaja de los modelos mecanicistas es que pueden proporcionar una visión del proceso porque sus parámetros se basan en la física subyacente. Por lo tanto, un modelo mecanicista también puede adaptarse fácilmentea los cambios. Sin embargo, los modelos mecanicistas, en general, tienen un alto coste de desarrollo, sus parámetros pueden ser difíciles de validar y pueden requerir grandes recursos informáticos, lo que podría dificultar los cálculos en tiempo real.
Modelo basado en datos: rapidez y eficacia
El enfoque basado en los datos utiliza los datos del proceso recogidos junto con modelos de aprendizaje automáticopara construir (parte de) un gemelo digital.A diferencia de un modelo mecanicista, un modelo basado en datos no se basa en el conocimiento físico y biológico del sistema, sino que utiliza los datos del proceso para construir un modelo matemático que pueda simular el proceso.A veces se denominan modelos «de caja negra», ya que proporcionan poco o ningún conocimiento nuevo de la dinámica subyacente del proceso porque los modelos sólo simulan patrones que aprenden de los datos, pero no se basan en principios físicos o biológicos.
Sin embargo, una de las principales ventajas de estos modelos es que su desarrollo es rápido y eficaz (siempre que se disponga de datos suficientes.Pueden funcionar en tiempo real con el proceso y su validación es relativamente sencilla.Las correlaciones que proporcionan pueden utilizarse, por ejemplo, para supervisar los atributos críticos de calidad (CQA) del proceso de forma no destructiva y en tiempo real, una aplicación que también se conoce como soft sensing.
"Los modelos informáticos gemelos digitales híbridos ofrecen una atractiva compensación entre la velocidad de desarrollo y el conocimiento del proceso".
Enfoque híbrido: lo mejor de ambos mundos
Entre estos dos extremos se encuentra el enfoque híbrido, que intenta combinar lo mejor de ambos mundos.La idea fundamental de este enfoque es utilizar la complementariedad de las dos metodologías opuestasUn modelo de proceso mecanicista puede utilizarse para modelar la parte del proceso sobre la que se dispone de conocimientos físicos establecidos (por ejemplo, el flujo de fluidos o la distribución de nutrientes), mientras que un modelo basado en datos se utiliza para modelar la parte del proceso que no puede modelarse mecánicamente debido a la complejidad o a la falta de conocimientos disponibles (por ejemplo, la cinética de crecimiento celular).
Estos modelos ofrecen una atractiva relación entre la velocidad de desarrollo y el conocimiento del proceso.Además, pueden superar a los modelos mecanicistas y basados en datos en cuanto a poder de predicción y aplicabilidad.
Papel clave en la gestión de procesos
Los gemelos digitales desempeñan un papel fundamental en la La digitalización y la automatización de las estrategias de fabricación, en particular para el campo de los medicamentos de terapia avanzada (ATMP), que son medicamentos basados en procesos de ingeniería celular, genética y tisular.Si tienen éxito, los gemelos digitales pueden utilizarse para acelerar el desarrollo del proceso permitiendo a los científicos e ingenieros realizar experimentos de simulación como parte del desarrollo del proceso. Este tipo de experimentos se pueden llevar a cabo mucho más rápido y a un coste mucho menor que los típicos experimentos de «laboratorio húmedo«, ya que estos últimos conllevan largos tiempos de proceso y altos costes de materia prima.
"Sin un gemelo digital, es imposible alcanzar el alto nivel requerido de supervisión y control de procesos no invasivos".
Esencial para la fabricación personalizada
Sin embargo, en el caso de los ATMP, hay que tener en cuenta que el proceso debe estar dotado de una estrategia de control flexiblepara garantizar la calidad constante del producto frente a la importante variabilidad de las materias primas, en particular en el caso de los procesos autólogos. Además, la industria está evolucionando hacia la fabricación personalizada, en la que el producto final se adapta a las demandas individuales de los pacientes, lo que acentúa aún más la necesidad de un alto nivel de supervisión y control del proceso no invasivo. Sin el poder de un gemelo digital, esto es imposible de hacer.
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