デジタルツインとは?仕組みや注目される背景、活用するメリット、関連技術を解説

デジタルツインとは、現実世界の環境を仮想空間に再現し、様々な分野において設備保全や品質向上、リスク低減、期間短縮、コスト削減に活用する技術です。

この記事では、デジタルツインの概要から仕組み、注目される背景、活用するメリット、関連技術まで詳しく解説します。

デジタルツインとは

デジタルツインとは、現実世界の環境から収集したデータを活用して、仮想空間に全く同じ環境を生み出すことを指します。
ツインとは双子の意味がありますが、正しくデジタルツインは双子のように仮想空間上で再現するテクノロジーとなります。
仮想空間は、最近ではメタバースとも呼ばれており、アバターを自由に操作できる空間として高い注目を集めているのです。
メタバース自体は、ニール・スティーヴンスンの著書である「スノウ・クラッシュ」で登場した言葉で、既に1990年代にはその概念が誕生しています。
当時のメタバースとは少しイメージが異なるものの、根幹となる部分は同じです。
具体的には、直接見ている世界だけでなく、より次元の高い視点で表現されている世界の中に、自分自身をアバターとして自由に操作できる点にあります。
デジタルツイン自体は、2002年にアメリカ合衆国のミシガン大学のマイケル・グリーブス氏により、広く提唱された概念です。

仕組み

デジタルツインの仕組みは、単純なようで実際には複雑なものとなります。
デジタルツインを実現するためには、現実世界からどのように情報を入手できるかがポイントです。
情報の収集として活用されているのが、IoTです。
IoTはInternet of Things(インターネット・オブ・シングス)の略称であり、日本語ではモノのインターネットと訳される場合があります。
IoTは、モノがインターネットに接続することに得られるメリットを活用した取り組みとなります。
インターネットに接続するデバイスと言えば、PCやスマートフォンが当たり前でした。
ただし、今ではルータやセンサー、そして監視カメラや各種家電など、様々なモノがインターネットに接続できるようになりました。
インターネットに接続できると、例えば家電から様々な情報を得て、それを活用できるのです。
そのデータをリアルタイムで収集して、仮想空間に送付して仮想空間内に環境を再現するのがデジタルツインです。

注目される背景

デジタルツインという言葉自体は、2002年に誕生しました。
ただし、その概念自体は古くから存在しており、ルーツは1960年代にNASAが編み出したペアリング・テクノロジーとなります。
ペアリング・テクノロジーとは、地球と月との間で全く同じ機材設備を複製して、トラブルが発生した場合にスピーディに適切な対応することを目指していました。
当時のNASAの試みは、実際に複製を用意する形を取っていましたが、デジタルツインでは仮想空間上に構築するのが特徴です。
これを実現できたのは、IoTやAIが筆頭となる技術の進化があったためです。
これにより、従来とは比べものにならないほどの解像度で現実空間を再現できるようになり、多くのシーンで活用されるようになりました。

シミュレーションとの違い

デジタルツインと似た考え方に、シミュレーションがあります。
シミュレーションとは、主に以下のような意味がある言葉となります。
• 模擬実験
• 想定実験
• 模擬行動

シミュレーションでは、現実世界で発生する様々な事象を本物に似せた空間で実験することです。
デジタルツインでも、シミュレーションのように本物に近い状態で実験することができますが、リアルタイム性の高さに違いがあります。
シミュレーションの場合、シナリオなどはすべて人間が仮定して実験しなければならない一方で、デジタルツインの場合は常に現実世界と連動させてリアルタイムに予測できる違いがあります。
また、デジタルツインでは予測を現実世界に即座にフィードバックできる点が魅力的です。

デジタルツインのメリット

デジタルツインを活用することにより、様々なメリットがあります。
主なメリットは、以下のとおりです。

設備の保全

製造業で生産設備を稼働させる場合、品質のよい製品をいかに多く生産できるかが鍵となります。
生産数を高めるためには、いかに停止せず安定して稼働するかも重要です。
ただし、設備の故障やトラブルによって思うように稼働させられない場合が多いのです。
そこで、設備にセンサーを取り付けて常に状態監視し、もしトラブルが発生した場合にリアルタイムで情報を収集し、トラブルの原因特定のためのアクションを起こすことが可能となります。
また、リアルタイムのデータだけでなく、過去の稼働データなどから故障しないための予防保全を実践できるメリットもあります。

品質の向上

品質レベルの高い製品を安定して生産するためには、製造工程内で発生した不良品がどのようなメカニズムで発生するのかを分析して、改善する必要があります。
そこで、デジタルツインによって生産状況のデータを収集・分析して、原因特定から改善まで繋げることが可能です。
また、製品の改良を重ねるためには実権を重ねたり試作したりすることが重要ですが、デジタルツインでは実験を手軽におこなえるので、その結果として品質向上に寄与できるメリットがあります。

リスクの低減

デジタルツインは、製造業だけに適用できる技術ではなく、幅広い分野で活用される技術となります。
例えば、医療分野でもデジタルツインの技術を活用可能です。
例えば、人間のデジタルツインを実現することで、血圧や脈拍数のデータを元に、治療や投薬のシミュレーションの実施や、副作用リスクなども予測できます。
また、自動車の分野では安全性に関する装置開発が活発におこなわれていますが、開発した安全装置が本当に正しく機能するのかをシミュレーションする際に、デジタルツインを活用可能です。
これにより、より安全な自動車を開発でき、事故発生のリスク低減に寄与します。

期間短縮とコスト削減

デジタルツインで様々な実験を重ねれば、製品などの設計・開発の段階でコスト低減を図れます。
具体的には、複数の材料から安価な材料を選定したい場合、デジタルツインで実験を重ねて問題ないことが実証できれば、採用することができます。
また、工程改善によって1つの工程を廃止するためにデジタルツインで検証して、その結果から廃止してTAT短縮やコスト低減も実現可能です。

デジタルツインに関する技術

デジタルツインが実現した背景には、様々な技術が進化したという側面があります。
ここでは、デジタルツインに関する技術について詳しく解説します。

XR(クロスリアリティ)

XR(クロスリアリティ)とは、主に以下の先端技術の総称として用いられます。
• VR(仮想現実)
• AR(拡張現実)
• MR(複合現実)
• SR(代替現実)

XRのXは未知数を、Extendedは拡張を意味しており、2016年から普及し始めた技術です。

VR(仮想現実)

VRとは、Virtual Realityの略称となり、日本語では人工現実感や仮想現実と訳されます。
VRには、表面的には現実ではないものの本質的には現実という意味が含まれており、限りなく実体験に近い体験が得られる空間です。
VRで得られるリアルな体験が、あたかも現実であるかのように感じられるという意味です。
VRでは、専用のゴーグルを着用して人間の視界を覆った状態で360°の映像を投影し、実際にその空間にいるような感覚を得られます。
VRの場合、視聴型と参加型の2つが存在します。
視聴型とは、単に3Dの映像を視聴するだけですが、参加型とは実際に自分が仮想空間内で移動したりアクションを起こしたりできるのが特徴です。
最近では、アトラクションの一環としてVRが活用されるシーンが増えています。

AR(拡張現実)

ARとは、Augmented Realityの略称であり、現実を仮想的に拡張する技術を指します。
現実世界の情報に、バーチャルな視覚情報を加えて現実環境を拡張するのが特徴です。
例えば、スマートフォンのカメラに写った画像に対して、CGの映像を重ねて表示して実在しているように見せることが可能です。
スマートフォンでも手軽に実現できること、またVRのようにゴーグルを装着しなくても手軽に実現できることで注目を集めています。
例えば、通信販売業者が商品のARを提供して、部屋の画像と合成して設置する際の状態を確認できるなどの方法で活用されています。

MR(複合現実)

MRは、仕組みとしてはARに似た技術です。
AR同様に現実世界を主体としていますが、仮想世界とも融合している点に違いがあります。
よって、MRはARとVRのいいとこ取りの技術となっています。
具体的には、スマートフォンのカメラやセンサーなどを活用し、位置情報などを細かく算出して、ARよりもリアルな体験ができるのが特徴です。
また、MR空間を複数の人が同時に体験できる点も、MRの大きな特徴です。

SR(代替現実)

SRは、Substitutional Realityの略称であり、日本語では代替現実と呼ばれています。
SRでは、現実と仮想が同時に表現できる技術となります。
例えば、現在見えている映像と過去に撮影した映像を重ね合わせて、過去に起きたことをリアルタイムで表現可能です。

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