「數位分身（digital twin）」是製造業經常聽到的關鍵字，它是將現實世界中的「物品」，忠實重現於數位世界中。
數位分身的物件，經常可以反映實體物品運作時的變化和狀況，呈現個別物品的狀況。從設計到製造、實際運作時的服務，甚至產品廢棄管控等各階段，整個產品的生命週期都可以運用此技術。
編按：繼2018年的《推動世界的100種新技術》，日本權威媒體日經BP社指出，「連結」是未來最重要的趨勢，不同科技間互相融合，國際間的政治經濟文化也逐漸相互串聯，在《連結世界的100種新技術》一書中指出「跨界合作」就能掌握勝利的先機，跨領域科技將改變人類的未來。
當我們聽到「將現實世界裡的物品重現於數位世界」時，通常都會想到以3D－CAD（電腦輔助設計）軟體製作的數位模型（Digital MockUp），不過DMU的用途只是實體模型（MockUp）的替代品，用來協助人員在設計階段討論細節的工具罷了。
2011年在美國太空總署（NASA）發表的論文中，首次出現「數位分身（digital twin）」這個詞彙。
關於數位分身的提案，是由NASA製作太空探測機和美國空軍飛機的數位虛擬分身，並將飛行記錄的數據隨時反映至虛擬物件上，以掌握機體的毀損狀況，並且還可以模擬、尋找適當的維修方法，以延長機體壽命，讓操作時間達到最久。
若能即時正確掌握各機體的狀況，即可將為確保結構體強度等安全性而設計的「冗餘」降至最低的必要狀態，有助於減輕機體的重量和強化載重能力。（編註：工程學中的「冗餘 redundancy」是指為了提昇系統可靠度、確保結構強度等安全性考量，刻意在機上配置多餘的、重複的零件或功能。）
2011年，當「數位分身」一詞第一次出現在NASA論文中時，IoT和AI技術的應用不如現在發達，但時至去年，情況已經大不相同。
由於IoT的普及，將能蒐集更多現實世界的資料以反映在數位分身上，而AI則在深度學習的加持下，逐漸提升預測的準確度。現在的數位分身可透過雲端服務，更方便地使用高性能的電腦功能。
數位分身的實際應用三階段
在數位分身的應用實例中，備受矚目的是美國奇異（General Electric，GE）公司，他們有飛機噴射引擎、風力發電用渦輪等客製化接單生產之產業用設備，並將數位分身技術應用於這些設備的故障預兆診斷。
就風力發電渦輪來說，由於會被設置場所的地形影響，因此各渦輪的零件耗損度皆不同。GE就拍下每一片渦輪風扇葉片的表面狀態，將溫度、旋轉頻率套用在影像上，分析葉片的損壞程度，便能在故障前採取適當的措施，以提升產能利用率。前面提到數位分身就是導入實際作業數據，在數位的虛擬世界中重現現實世界的物品，這就是個很好的範例。
在工廠的生產線上，也開始運用數位分身技術了。GE Healthcare Japan的日野工廠，在醫療用超音波診斷儀器的探頭生產線上運用數位分身，蒐集各種資料，並進行統一管理和監視。藉此掌握生產設備的毀損狀況，在故障前就能判斷更換零件的時機。他們是使用GE的IoT平台「Predix」和其App，來蒐集、分析產業用機器和生產線上的數據。
以下讓我們來整理要導入數位分身所需要的技術。成功運用數位分身的過程，大致上可分為三個階段，每個階段都有其必要的技術。
第一個階段是蒐集現實世界中的資訊，將之反映於數位分身上。在此過程中，會運用到感測器和蒐集感測器數據的IoT技術。
第二個階段就是在數位虛擬世界中，分析數位分身。在此階段中，較重要的是數值模擬（Numerical Simulation）、大數據分析及AI等技術。
第三個階段是將數位分身應用於現實世界，作為機器、生產設備的各種參數，以及安排維修計畫的根據。為了以令人易懂的方式呈現分析結果，則會運用到AR（擴增實境）和MR（混合實境）技術。
零件本身就是感測器
在前文所敘述的第一個階段，有種技術可以支援，那就是透過特殊技術，直接把零件本身變成感測器。其中一個案例，就是德國「舍弗勒（Schaeffler）」公司所研發的「Sensotect 塗料系統」（Sensotect Coating Systems）。
舍弗勒公司是在軸承和軸承架等零件的表面刻蝕線路圖面，然後導入電流。由於通過線路的迴路電阻值，會依零件的變形量改變，因此可測量施加於零件上的力量或扭矩（torque）等。他們在零件表面添加特殊合金塗層，等磨掉塗層後，就會留下所需的線路圖面。
直接把零件變成感測器的技術會受到矚目，是因為可以省去另外安裝感測器來蒐集資料的工程。一般來說，如果在第一階段無法從既有的感測器取得所需的物理量，就必須加裝感測器，或從既有的感測器蒐集到的物理量，去推算出所需的物理量。
安裝感測器會受到空間限制，因此必須追求小型化、輕量化，也必須具備電源和通訊功能，此例將零件直接變成感測器，可說是更方便的選擇。
不用感測器也能掌握輪胎狀態：輪胎感應技術
「住友橡膠工業」研發的感測技術「SENSING CORE」，就是前述「從既有感測器蒐集到的物理量去推算其他物理量」的實例。藉由取得、分析輪胎的轉動訊號，可以偵測輪胎的空氣壓、負荷量、耗損度及路面狀況。不必另外安裝感測器。
在偵測路面狀況時，是利用滑移率（slip ratio）。輪胎即使在煞車狀態（非動摩擦狀態），也會因為彈性變形而產生微小的滑動，加速時，驅動輪和非驅動輪的輪胎，其轉動速度（轉動圈數乘以輪胎的圓周所得到的值）會出現差異。
「SENSING CORE」會將非驅動輪的轉動速度當作車輛速度，將驅動輪轉動速度與車輛速度的差，除以車輛速度後，算出滑移率。
雖然廠商研發SENSING CORE技術，是看準未來的自駕時代，希望提升輪胎附加價值，而非促進數位分身技術的發展；但在過程中他們活用了汽車的數位分身技術，即可不透過感測器而取得輪胎的數據。
數位分身技術適用的PLM軟體
美國軟體服務公司「PTC」（納斯達克股票代碼：PTC）、法國3D軟體服務公司「達梭系統（Dassault Systèmes）」，皆是目前世界上主要的幾家PLM（Product Lifecycle Management，產品生命週期管理）軟體大廠，現在都在擴充其軟體功能，目標是全面適用於數位分身的三個階段。
所謂的PLM產品生命週期管理軟體，是指一套系統，可以管理產品製造過程中所需的CAD數據等產品設計資訊以及BOM（Bill of Material：物料清單），供設計師等相關人員使用，可透過軟體對這類資訊進行編輯或加工。
PTC公司已經在2013年的12月收購了研發IoT平台的「ThingWorx」公司。使用 ThingWorx 這套 IOT平台，可即時取得營造機械和作業機械的運作資訊，並開發出可分析這些資訊的應用程式。PTC公司會將從 ThingWorx 取得的零件資訊，結合PLM軟體的3D數據來運用。
至於達梭系統公司，則使用MES（Manufacturing Execution System，製造執行系統），可同時監視、管理PLM軟體和生產線，並可以依據PLM數據的模擬結果，視狀況彈性變更作業內容，以支援生產線的數位分身技術運用。
目前數位分身技術仍處於發展階段。從現實世界取得資料、將數據反應在數位分身上，仍然會發生一定的時滯（time lag），因此應該視需求決定應該建立何者的數位分身。
以汽車為例，其零件總數多達數萬個，因此最重要的工作，並非建立「車輛」的數位分身來反映所有零件狀況，而是應該先製作「輪胎」等高消耗度且與安全性有直接關聯的零件之數位分身，以便應用於維修上。
儘管如此，IoT、AI及模擬技術等領域，未來還會持續出現更新的技術，因此數位分身的技術也會越來越精進，達到「充分掌握現實世界分身的相關資訊，忠實重現其狀況」的理想狀態。
本文摘錄、整理自《連結世界的100種新技術》，原作者日經 xTECH 神近博三，〈現實與「數位分身」將翻轉製造業〉P.122-P.131，旗標出版
責任編輯：張庭銉
