Когда мы слышим слово «близнецы», то обычно представляем себе двух одинаковых людей, обладающих схожими физическими чертами, а также, возможно, определёнными особенностями поведения или даже причудами. Однако в мире технологий этот термин имеет иное значение. Он относится к чему-то одновременно революционному и пока ещё относительно малоизученному: цифровым близнецам.
Цифровой двойник (Digital Twin) — виртуальная копия реального прототипа или целой системы — динамическая модель, которая, получая данные в режиме реального времени, имитирует поведение того, что она представляет. Это может быть виртуальное представление любого физического объекта — здания, энергосистемы, атомной станции, космического аппарата, города или даже человека, — которое имитирует его характеристики в динамике. Однако, такое явление в современном мире является нечто большим, чем просто компьютерная модель. Двойник получает данные с датчиков, расположенных в реальной системе, постоянно отслеживая её состояние.
Такая архитектура взаимодействия похожа на умное зеркало, которое не только отражает состояние объекта, но и учится на каждом его движении, чтобы предсказать следующее действие. Подобные разработки используются в различных сферах человеческой деятельности и отраслях промышленности уже много лет, помогая прогнозировать неисправности самолётов до их возникновения, оптимизировать работу целых заводов и проектировать автомобили, обучающиеся на основе данных тысяч пользователей о вождении. В симуляционных исследованиях точность воспроизведения определяется тем, насколько близко копия или модель соответствует своему целевому объекту. Точность воспроизведения симулятора определяется степенью реализма симуляции по отношению к реальным объектам. Например, гоночная видеоигра представляет собой изображение, скорость которого увеличивается и уменьшается при нажатии клавиш на клавиатуре или контроллере. В то время, как нейросетевой симулятор может иметь лобовое стекло, шасси, рычаг переключения передач и педали газа и тормоза, имея более высокую степень точности воспроизведения.
Цифровые двойники часто используются для моделирования, понимания и анализа сложных систем, где производительность, надёжность, безопасность и отказоустойчивость имеют решающее значение. Для корректной работы модели, крайне важно тестировать любые изменения, как плановые, так и внеплановые. Для точного тестирования изменений состояния реальной системы и последствий любых возможных воздействий цифровой двойник должен точно отображать текущее состояние физической системы. Для этого сервер (либо целая когорта серверов, соединённая в единую сеть) должен постоянно получать обновления от физической системы по быстрым и надёжным каналам связи.
В последнее время эта технология применяется в сельском хозяйстве, что приводит к значительному прогрессу, например, в прогнозировании воздействия климатических и природных изменений на сельскохозяйственные культуры. Даже лесной пожар можно представить в виде динамической модели. Государственные учреждения могут прогнозировать распространение пожара и его последствия при различных условиях, таких как скорость ветра, влажность и близость к местам обитания, и использовать эту информацию для планирования эвакуации.
В медицине эта технология становится настоящим прорывом. Существуют, например, подходы, основанные на цифровых двойниках сердца, которые симулируют работу сердца каждого пациента с поразительной степенью детализации. Технологическая визуализация в совокупности с аналитической информацией позволяет врачам предсказывать реакцию конкретного сердца на аритмию или конкретное лечение, не подвергая риску самого пациента. Эффективное сочетание виртуального моделирования и клинических данных открывает путь к более предиктивной, персонализированной и безопасной медицине, где терапевтические решения основываются не только на медицинском опыте, но и на моделировании того, что будет происходить в цифровом двойнике пациента. Но что произойдёт, если применить это к человеческому мозгу?
Когнитивное и психологическое состояние являются основой человеческого здоровья и благополучия, но они являются материей нежной и хрупкой. Возрастное ухудшение состояния, депрессия, тревожность и нейродегенеративные расстройства по-прежнему представляют серьёзные проблемы для медицины. Именно здесь искусственный интеллект (ИИ) открывает окно надежды для всех людей. Интегрируя для последующей аналитики большие объёмы данных, специализированные приложения, работающие на основе сложных нейросетей, могут способствовать в выявлении заболеваний на ранних стадиях, более эффективно отбирать пациентов для клинических исследований и даже моделировать прогрессирование заболевания у каждого человека посредством применения цифровых двойников. ИИ позволяет предотвращать ухудшение состояния, разрабатывать «дорожную карту» для индивидуальных вмешательств, а также стимулировать разработку более безопасных и эффективных методов лечения.
Группа разработчиков недавно придумала и реализовала новую концепцию для решения психических и когнитивных людских проблем, посредством внедрения цифровых когнитивных систем двойников. Это виртуальные модели, получающие данные нашего мозга о социальном и ситуативном поведении, эмоциональных реакциях на любые раздражители или поступающую информацию, физическую активность, не забывая о повседневных привычках. Благодаря использованию искусственного интеллекта, эти динамические модели могут обучаться и обновляться при каждом новом взаимодействии. Предполагается, что в будущем у каждого человека может быть собственный когнитивный «цифровой близнец», который можно будет использовать для прогнозирования того, как будет развиваться/деградировать его память или концентрация внимания, а также для предложения персонализированных занятий по тренировке ума, ещё до возникновения серьёзного недуга или инвалидности.
Ключ к этой революции кроется в интеграции устройств, которые уже есть у многих из нас, таких как умные часы, трекеры активности и датчики сна. Это необходимо для непрерывного получения информации о состоянии нашего организма. Данные о частоте сердечных сокращений, качестве сна, уровне активности и стрессе уже могут передаваться в режиме реального времени «компьютерному близнецу», который обучается на основе этих сигналов и адаптирует рекомендации или когнитивные тренировки к нашему физическому/психическому состоянию в любой момент времени. Роль ИИ будет подобна роли дирижёра оркестра: он будет координировать все эти данные и автоматически заводить их в систему, которая не только реагирует, но и предвосхищает наши потребности.
До сих пор цифровая «тренировка мозга» в целом ограничивалась увлекательными играми с ограниченными преимуществами. Когнитивные близнецы — это нечто совершенно иное: они выходят далеко за рамки стандартных упражнений, предлагая динамичную экосистему, которая подстраивается под каждого человека в режиме реал-тайм, контролируется медицинскими специалистами и подкреплена научными данными из различных дисциплин. Это смена парадигмы: от универсального подхода к по-настоящему персонализированной и профилактической медицине.
Конечно, будут и сложности. Цифровые двойники в этой области должны быть разработаны таким образом, чтобы гарантировать конфиденциальность данных, а решения, принимаемые алгоритмами, были прозрачными и этичными для всех заинтересованных сторон процесса. Даже создание низкоточных цифровых двойников даёт возможность следить за пользователями, делать выводы об их поведении, пытаться влиять на них и представлять их другим. Хотя это может быть полезно в учреждениях здравоохранения и образования, невозможность предоставить пользователям доступ к своим данным и их оценку может поставить под угрозу индивидуальную автономию и коллективное благо общества. Субъекты данных не имеют доступа к тем же ресурсам, что крупные корпорации или правительственные структуры. Самим людям зачастую не хватает времени, подготовки и, возможно, мотивации. Необходим постоянный и независимый надзор для обеспечения соблюдения цифровых прав граждан.
Нельзя также игнорировать возможность «цифрового неравенства», который может исключить пожилых людей или тех, у кого ограничен доступ к технологиям. Тем не менее, человечество не должно упускать из виду потенциальные преимущества — недавний метаанализ показал, что использование технологий помогает предотвратить и отсрочить снижение когнитивных способностей, как нормальное, так и патологическое.
Создание и поддержка таких сложных инновационных решений часто требует огромных объёмов данных, отражающих различные характеристики реального прототипа. Сбор и обработка этой разноплановой информации требуют передовых коммуникационных и вычислительных технологий. Поддержка связи обычно включает высокоскоростные интернет-соединения и беспроводные сети (Wi-Fi или 5G). Вычислительная поддержка обычно осуществляется на серверах, расположенных либо в центрах обработки данных, либо в «облаке», но, желательно, как можно ближе к физической системе.
Новые технологии готовы стать одной из величайших революций не только в терапевтической медицине, но и в когнитивной науке этого столетия. Десятилетия назад идея карманного компьютера казалась научной фантастикой. Через несколько лет будет казаться столь же естественным иметь когнитивного двойника, который будет сопровождать человека и всю жизнь проявлять персонализированную заботу о нём.
Redactor