多くの企業が注目するデジタルツインという技術は、活用によって事業に様々なメリットをもたらします。具体的にどうなるかは言葉だけではイメージが湧きにくいかもしれません。そこで、本記事ではデジタルツインの基本知識や基盤となる技術、活用事例などを紹介します。技術の理解を深めて自社のビジネスへの導入を検討しましょう。
デジタルツインとは？
デジタルツインとは、現実にきわめて近い仮想空間をコンピュータ上に構築し、仮想空間内でさまざまなシミュレーションを行って、その結果を現実世界にフィードバックする技術のことです。シミュレーション結果は現実世界の問題解決や新技術・新製品開発などに応用されます。仮想空間に作られる世界がまるで現実と双子のようであることからデジタルツインと呼ばれています。
詳しくは後述しますが、デジタルツインはIoT、AI、AR・VR、5Gなどの技術を組み合わせることで実現しています。例えば、自動車の自動運転や、ロボットのトレーニング、大規模な気象・気候予測、センサーデータのシミュレーション、AI画像認識の学習など、さまざまな分野で応用が進められています。
従来のモデルやシミュレーションとの違い
市場規模に合った商品の開発や自動車の安全技術の確立など、シミュレーション自体はありとあらゆる業界で行われています。デジタルツインもそのシミュレーションの一種です。しかし、従来のシミュレーションとのもっとも大きな違いは、現実世界の変化とリアルに連動している点にあります。
例えば、何らかの機械部品の耐久性をシミュレーションするとしましょう。機械部品は使用を続けるうちに摩耗・破損などが発生し、いつまでも当初の性能や姿を留めているわけではありません。従来のシミュレーションでは、こうした摩耗や破損による変化は、人の手でデータを改めて入力する必要がありました。しかし、デジタルツインではそうした手間は必要ありません。現実世界で生じた変化と連動しているため、機械部品の摩耗などについてもリアルタイムで仮想空間に再現されます。
また、仮想空間から現実世界へアプローチができるのも大きな特徴です。デジタルツイン上で何かしらの問題が起きた時は、オンラインを通じて現実世界にアプローチし、トラブルの回避・解決などが可能です。
こういった、シミュレーションとは異なるデジタルツインの強みは製造業でも注目されています。製造業での活用事例やメリットの詳細については以下の関連記事をご覧ください。
関連記事：製造業のデジタルツインとは? シミュレーション、メタバースとの違いと事例
デジタルツインが注目されている理由
IoT、AI、AR・VR、5Gなどの基盤技術が整ったことが理由として挙げられます。基盤技術が発展したおかげで、膨大なデータ処理を必要とする仮想空間を無理なくリアルタイムに扱えるようになりました。そのため、デジタルツインは産業界など幅広い業界で活用が検討されています。
また、デジタルツインが秘める可能性も注目の理由の一つです。リアルタイムデータを使用した高精度な予測や製品の品質向上、業務とリソースの効率化といったメリットを享受できるため、導入を検討する企業が増えています。なお、総務省が公開している2023年の情報通信白書によると、デジタルツインの世界的な市場規模は2025年には3兆9,142億円に成長する見込みです。
参照元：情報通信白書令和5年版
デジタルツインに欠かせない技術
現実の鏡となる仮想世界を構築するには土台となる技術が必要です。その技術について以下でわかりやすく解説します。
AI
AIとは人工知能のことであり、コンピュータが人間のように独自に学習して処理をする技術を指します。デジタルツインにおいてはデータ収集や高精度な分析、予測のために必要な技術です。具体的には、仮想シミュレーションや収集したリアルタイムデータの迅速な処理に活かされます。後述するIoTと組み合わせることが多く、IoTが収集する膨大なデータを分析するためにもAIは不可欠です。
IoT
IoT（Internet of Things）とは、従来だとオフラインで利用するデバイスやセンサーをネットワークに接続し、相互通信を可能にする仕組みのことです。デジタルツインにおいてはデータ収集やモノの遠隔制御に利用されます。カメラやドローンなどのIoT機器で収集したデータを直接仮想空間へ送信してリアルタイムに反映し、AIで分析・改善するために活用されます。
5G
5G（第5世代移動通信システム）とは、前世代の4Gよりも高速・大容量・低遅延な通信ができる無線通信技術のことです。5Gのように強力な通信技術がないとタイムラグのない分析ができず、予測や判断の精度が下がってしまいます。このため、IoTが収集する膨大なデータを遅延なく送受信するには、5Gが欠かせません。
AR・VR
AR（拡張現実）とVR（仮想現実）もデジタルツインを構成する重要な技術です。仮想空間をリアルに再現したり、現実への拡張、補完をしたりするのに活用されます。利用例を挙げると、分析結果の視覚的な表現、仮想シミュレーションによるコスト削減やエラー、不具合の可視化や改善をするのに役立てられています。
CAE
CAEとは、製品の設計段階でシミュレーション実験を行い、製品の問題や改善点の分析、検証をするためのシステムのことです。従来のように実物の試作品を作らなくても仮想上で完成品の全体を把握できます。真空状態や超高温下など、現実で試すのが困難な条件でのシミュレーションも可能です。製造業界や自動車業界、エレクトロニクス業界、医療業界など幅広い分野で活用が進んでおり、デジタルツインでも不可欠な技術です。
RTLS
RTLS（リアルタイム位置情報システム）とは、GPSやWi-Fiなどの通信技術でモノや人の位置情報を自動取得する技術を指します。デジタルツインでは、IoTのデータとRTLSで取得できる位置情報を組み合わせて、人やモノの位置をリアルタイムに追跡します。利用例を挙げると、だれが何をしているか、在庫や道具の状況をリアルタイムに把握して管理したり、位置情報の追跡でムダやエラー、不正の発見をしたりできます。
デジタルツインのメリットとは
現実世界では様々な制限が加わる難しい作業も、バーチャル空間なら容易に実行できます。リードタイムの短縮やコストダウン、保守、メンテナンスなどの作業をスムーズに行えるのも大きなメリットです。
デジタルツインで得られるメリットの具体例として、こちらの記事も併せてぜひご覧ください。仮想上に生産ラインシミュレータを構築した場合のメリットなどを解説しています。
関連記事：生産ラインシミュレータ｜デジタルツイン内で検証を行うメリットを紹介
物理的な制限を超えた作業が可能になる
新しい試みに着手したくても、コストやスペースなどの問題で難しいことがあります。仮想空間ではこのような制限を気にすることなく、様々な試みが可能です。
例えば、新たな商品の開発には多大なコストがかかり、どれくらいの人員が必要かもはっきりとはわかりません。デジタルツインであれば、仮想空間の中で様々な試算ができるため、そこから必要なコストや人員数を算出できます。バーチャル世界での試みは、失敗した時のリスクを最小限に抑えられるのも大きなメリットです。
リードタイムを短縮できる
デジタルツインは、生産管理の最適化や業務効率化にも貢献する技術です。工程をリアルタイムにモニタリングしながらデータ収集し、仮想上で仮説検証を行うことで改善すべき点が見えやすくなります。現実で試すよりも効率よく改善活動を進められ、発注から製造、納品まで全工程のリードタイム短縮につなげられます。
コストを削減できる
従来では現実世界で製品の試作を行っていましたが、これでは多大なコストが発生します。例えば自動車の場合、試作の車両を製作したのち、複数の人員を割き専用コースで何度も試走する必要がありました。しかし、デジタルツインを利用すれば仮想空間で同じことができるため、大幅なコスト削減が実現します。
また、デジタルツインは製造プロセスのデータだけでなく、流通後のデータ収集も可能です。顧客のニーズや使用状況の詳細を把握し、今後のマーケティング戦略に役立てられます。わざわざ別途にリサーチを行わなくて済むため、改善活動やマーケティングのコストを削減できます。
作業の効率化や簡易化ができる
例えば、製造ラインで問題が発生した時には、どの段階で問題が発生したかを把握しなくてはなりません。まずはきちんと原因を特定し、それから改善に向けた手立てを考えます。デジタルツインが導入されていれば、原因特定までに時間を要さず、スピーディに改善策を打ち出せるのがメリットです。既に流通している製品に問題があった場合でも、どのプロセスで発生したのかデータから原因を解明できます。
昨今では、製造ラインでAI画像処理による検査やロボットによる物体のトラッキングなどが頻繁に行われるようになっています。現場の大きな課題としてAI画像処理用の学習作業の困難さや学習用データの入手が困難などの課題がありましたが、仮想空間で自由に３Dデータを生成することで学習作業の効率化やAIモデルの強化を行うことができることも大きなメリットと言えます。
丁寧なアフターサービスが可能になる
企業価値と顧客満足度を高めるには、丁寧なアフターサービスが欠かせません。デジタルツインは製造段階だけでなく、出荷後のモデリングもリアルタイムで行えます。そのため、使用状況などに応じてベストなタイミングで顧客にアフターケアを提供できます。
製品の使用状況や経過などのデータを分析すれば、顧客が求めているニーズや不満点も把握しやすくなります。ニーズを深く掘り下げられるため、新たなサービスに向けたマーケティング戦略を打ち出すことも可能です。
製品の品質向上や技術向上に繋がる
デジタルツインの導入により期待できるのが、製品の効率的な品質向上です。現実で繰り返し試行錯誤する場合、どうしても負担が重くなりますが、仮想空間なら労力を抑えながら何度でも実験できます。仮想空間の実験から得たフィードバックを、そのまま現実の製品に反映すれば、効率的に品質を向上させられます。また、IoTから収集できるリアルタイムデータを分析することで、従来よりも高精度に問題点を発見できるようにもなります。
デジタルツインを活用すれば、仮想環境化で自動運転のテストを行う、手術や医療処置の練習を行う、といった、現実下ではリスクなどの観点から難しいシミュレートも行うことができる点も大きなメリットです。
デジタルツインが抱える課題
デジタルツインの課題として挙げられるのは導入コストの大きさです。デジタルツインを構築するにあたり、センサーなどのIoT機器の準備や、データの分析と処理を担うAIの構築、システムの管理が必要になります。このため、構築規模に応じたそれなりの設備費用や、必要なIT技術を扱える人材リソースが必要です。
コスト以外では、セキュリティ対策も課題です。デジタルツインで利用するデータの中には、機密情報や個人情報が含まれています。重要なデータはIoT機器などからインターネット経由で送受信するため、不正アクセスや情報漏洩などが発生すると信用の損失を招きかねません。また、サイバー攻撃によってシステムがダウンし、事業に大きな影響を与える可能性も考えられます。このため、企業は従業員のセキュリティ意識の向上や、暗号化、リスク管理といった技術的なセキュリティ対策を十分に行うことが重要です。
NVIDIA Omniverseのデジタルツイン事例
NVIDIA Omniverseは、デジタルツインの活用に役立つプラットフォームです。仮想シミュレーションはもちろん、複雑化しやすい3Dワークフローやコラボレーションの効率化に役立ちます。ここからは、NVIDIA Omniverseと共にデジタルツインを活用する企業の事例を紹介します。
NVIDIA Omniverse のユースケースなどの詳細は以下の関連記事をご覧ください。
関連記事：NVIDIA Omniverseを使ったデザインコラボレーションの可能性
産業オートメーションを推進する仮想工場
主に電子機器の生産を請け負っている某社F社では、NVIDIA Isaac（NVIDIA Omniverseを基盤としたロボティクス開発支援プラットフォーム）を活用したデジタルツインで同社の仮想工場を構築し、作業の自動化・効率化、コスト削減を実現しています。
例えば、現実の世界で最適な組み立てラインを設計するためには、工場内にある数十のロボットアームを最適な場所に設置する必要があります。そのために同社では、物理工場から得られたセンサーデータを活用してデジタルツイン上でシミュレーションを行って、ロボットなどの最適な配置を決定しただけでなく、デジタルツイン上でロボットをトレーニングするという取り組みも行っています。
個々の患者を再現した脳外科手術のリハーサル
NVIDIA Omniverse を活用して、脳外科医が手術のリハーサルを行うためのツールを提供している会社もあります。個々の患者の脳にカスタマイズされた仮想表現を作成して、よりリアルな手術リハーサルを行えるよう、現在、取り組みを進めています。
患者を含めたすべての人間の脳は、解剖学的に構造が少しずつ異なっていますが、デジタルツイン上に患者固有の脳のモデルを作成することによって、患者の脳と大きさや形状、病変の位置が一致したバーチャルな脳でリハーサル手術を行えるようになります。患者の脳にあわせてカスタマイズされた3Dモデルは、実際の手術で経験するであろうことの再現を可能にし、脳外科医に貴重な体験を与えてくれます。
センサーデータを応用し作成したデジタル化された小売モデル
NVIDIA Omniverseなどを利用して、家具などをスキャンし、デジタルツイン上にモデルを作成するツールを開発した事例もあります。これにより、顧客はデジタル化された家具を仮想空間上で確認しながら購入することが可能になります。家具の設計においても、仮想空間上で試作を行えることから、効率化を実現しています。
NVIDIA Omniverseは、同社の開発したシステムに対して、高度なレンダリングや物理シミュレーション、AI トレーニングの拡張性といった中核的な機能を提供しています。
まとめ
デジタルツインの活用によって仮想空間での高度なシミュレーションが可能になります。シミュレーションを現実へのフィードバックに役立てることで、問題の特定や業務の最適化、将来の予測などをこれまで以上に高精度に行えるようになります。これによって多くの課題に対処するヒントを得ることが可能です。既に様々な企業が導入を始めており、今後も導入を考える企業がさらに増えることが考えられます。
デジタルツインを導入する際はNVIDIA Omniverseの利用もぜひ検討してみてください。デジタルツインに欠かせない高度な仮想シミュレーションや関係者との円滑なコラボレーションなどに役立つプラットフォームです。
