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Les jumeaux numériques : comprendre la technologie et ses applications

Publié le 29 mars 2023

Tout peut se dupliquer : une voiture, une usine, un corps humain et même la Terre ! Doubles virtuels, les jumeaux numériques permettent de mieux comprendre, prédire et optimiser le monde réel. L’industrie, l’architecture, la recherche et la santé ne peuvent plus s’en passer. Leurs avantages sont nombreux, à commencer par leur coût. Pour les entreprises, le virtuel a enfin un bénéfice bien réel.   

Image d'illustration article jumeaux numériques

Fruit des progrès de la 3D, de l’Internet des objets (IoT) et de l’intelligence artificielle, le jumeau numérique est une technologie prometteuse. L’industrie, l’urbanisme, la santé et bien d’autres domaines l’utilisent pour accélérer l’innovation.  Tout ou presque peut être dupliqué. Une voiture pour simuler un crash test, un cœur humain pour préparer une intervention chirurgicale, un médicament pour réaliser des essais cliniques virtuels et accélérer sa mise sur le marché, un bâtiment pour faciliter sa conception et améliorer son efficacité énergétique… Même dans l’informatique, on utilise des jumeaux numériques pour tester des logiciels, gérer des infrastructures ou simuler des cyberattaques.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique

Un jumeau numérique, ou digital twin en anglais, est une réplique virtuelle d’un objet, d’un système ou d’un processus du monde réel. Grâce aux technologies de modélisation 3D, aux capteurs, à l’intelligence artificielle et au big data, ces jumeaux permettent de simuler, d’analyser et de prédire le comportement de leur homologue réel, offrant ainsi une meilleure compréhension et un contrôle accru sur leur performance et leur maintenance.

« Si la technologie n’est en soi pas récente, la Nasa l’utilisait déjà dans les années 60, le terme apparaît dans les années 2000 dans l’industrie, à la faveur de la généralisation des capteurs et de l’analyse de leurs données » explique Cédric Vasseur, spécialiste de l’IA et formateur ORSYS.  

Comment les créer ?

La conception d’un jumeau numérique commence par la collecte des données sur l’objet, le système ou le processus réel. On place des capteurs sur l’objet pour recueillir des informations en temps réel. On crée ensuite des modèles 3D pour représenter visuellement sa structure et ses composants. L’intelligence artificielle sert ensuite à analyser les données, à entraîner des réseaux de neurones via du machine learning afin de créer un modèle, puis simuler le comportement de l’objet réel par un jumeau numérique.

Quels sont leurs usages ?

Si de nombreux secteurs profitent des avantages des jumeaux numériques, c’est l’industrie qui en a été le moteur.

Dans l’industrie, la pionnière

On distingue les jumeaux numériques de produits et les jumeaux numériques de production. Les premiers servent à concevoir des produits et à valider leur performance. Ils rendent inutile l’utilisation de prototypes physiques et réduit les temps de développement.

De l’autre côté, les jumeaux numériques de production servent à planifier la fabrication, optimiser la production, surveiller les chaînes d’approvisionnement et améliorer la maintenance prédictive de machines.

Ainsi, Siemens et Nvidia ont passé un accord pour faciliter la création de simulations numériques de produits et de processus.

Siemens et Nvidia développent une usine dans le métavers
Une usine virtuelle (à gauche) copie d’une usine réelle (à droite) – Crédits Siemens/ Nvidia

En robotique, cette technologie sert à concevoir des robots. « Dans les modèles les plus simples, on essaie de faire que les pièces ne rentrent pas en collision les unes avec les autres » précise Cédric Vasseur. « Dans les versions les plus évoluées, on obtient des modèles très proches de la réalité. C’est le cas des robots industriels. »

L’usage de jumeaux a un côté pratique dans la conception d’un objet : « quand on a une équipe de développement de 100 personnes, c’est beaucoup plus pratique de travailler sur un modèle numérique que d’avoir 100 personnes autour d’un objet réel » observe Cédric Vasseur. D’autant que la version numérique profite d’une journalisation des modifications apportée par chaque membre de l’équipe de développement.  

Dans le milieu industriel on croise les jumeaux numériques dans l’aérospatiale ou  l’aéronautique pour optimiser la conception des avions, satellites, lanceurs… réduire les coûts et améliorer la fiabilité et la sécurité des appareils.

« Ces industries utilisent des pièces qui coûtent très cher. Si jamais il y a de la casse, ça coûtera plus cher que de lancer une étude sur un jumeau numérique » explique Cédric Vasseur.

Dans d’autres domaines

En architecture, on recrée de toute pièce un bâtiment en rentrant ses cotes dans un logiciel 3D. Sa maquette numérique ou BIM (Building Information Modeling) facilite la conception des constructions, améliorant leur efficacité énergétique et leur soutenabilité environnementale, notamment en réduisant la quantité de matériaux employés.

En urbanisme, les smart cities utilisent des jumeaux numériques pour simuler les infrastructures et fluidifier la mobilité urbaine.

Dans la santé, des jumeaux numériques de patients ou d’organes servent à mieux comprendre les maladies, tester des traitements ou anticiper des besoins de soin.  Philips a développé un outil médical 3D, Dynamic HeartModel, avec lequel les cardiologues surveillent la santé de patients atteints de maladies cardiovasculaires.

L’industrie pharmaceutique s’est, elle aussi, emparée de cette technologie pour concevoir des médicaments plus rapidement. La technique est éprouvée : tester des médicaments virtuels sur un panel de patients virtuels. Résultat : la durée des essais cliniques a été divisée par deux !

En informatique, les jumeaux numériques offrent une grande variété d’applications :

  • Développement et tests de logiciels : simulation et tests d’applications dans un environnement virtuel avant leur déploiement, en identifiant les erreurs, les problèmes de performance et les vulnérabilités.
  • Gestion des infrastructures : la virtualisation permet d’optimiser et de surveiller les infrastructures complexes (centre de données, réseaux, cloud). De quoi mieux anticiper les besoins en ressources, améliorer la performance et la sécurité des infrastructures et réduire les coûts opérationnels.
  • Cybersécurité : simuler et analyser les menaces afin d’améliorer la résilience face aux cyberattaques, tester et les contre-mesures avant leur mise en œuvre.
  • Formation : les jumeaux numériques facilitent l’apprentissage via des environnements d’apprentissage virtuels, permettant aux professionnels de se former et de développer des compétences en informatique sans avoir à manipuler de matériel physique coûteux ou à risquer d’endommager des systèmes réels.
Robot jumeau numérique
Simulation de robot à 6 pattes avec les logiciels Blender et Bullet

Un futur prometteur

Le futur des jumeaux numériques s’annonce prometteur, avec une adoption croissante dans de nombreux secteurs et des avancées technologiques constantes. Les progrès en matière d’intelligence artificielle, de réalité virtuelle et augmentée, de capteurs et de connectivité permettront de créer des jumeaux numériques toujours plus précis, interactifs et utiles.

Se former aux jumeaux numériques est une excellente opportunité pour les professionnels. En maîtrisant les compétences nécessaires pour concevoir, analyser et gérer des jumeaux numériques, vous pourrez contribuer activement à cette révolution technologique.

Notre expert

Cédric VASSEUR

Intelligence artificielle et robotique

Formateur, conférencier et chroniqueur spécialiste des nouvelles technologies liées à la robotique et à l’intelligence […]

domaine associé

Robotique, systèmes embarqués, IoT

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