دوقلوی دیجیتال در صنایع مختلف توانسته مفید واقع شود. حالا نوبت علم پزشکی است تا دوقلوی مجازی آن را متحول کند.

هنگامی که ناسا فضاپیمای آپولو ۱۳ را در تاریخ ۱۱ آوریل ۱۹۷۰ برای ماموریت فرود بر ماه به فضا پرتاب کرد، مفهوم «دوقلوی دیجیتال» هنوز ابداع نشده بود. سه روز پس از آغاز سفر، ماموریت با یک چرخش غیرمنتظره مواجه شد و مخازن اکسیژن موجود در فضاپیما انفجار فاجعه‌آمیزی به وجود آوردند .

تولد یک تکنولوژی نوین از دل ناسا

پس از انجام چند آزمایش تشخیصی، تیم ناسا متوجه شد که انفجار مخزن اکسیژن به طور بحرانی به یک موتور فضاپیما آسیب رسانده. بدتر از آن، فضاپیمای آسیب‌دیده اکسیژن گرانبهای موجود را به فضا می‌ریخت که به احتمال زیاد به معنای نابودی فضانوردان داخل آن بود. فضاپیما بیش از ۲۰۰,۰۰۰ مایل از زمین فاصله داشت، که فراتر از دسترسی هرگونه مداخله زمینی یا فیزیکی بود. تشخیص و تعمیر آسیب‌ها باید تنها با تجهیزاتی که خدمه در اختیار داشتند انجام می‌شد.

ناسا پانزده شبیه‌ساز داشت که از آن‌ها برای آموزش و برنامه‌ریزی ماموریت‌ها استفاده می‌کرد. نسبت به شبیه‌سازهای جدیدتر ناسا که بوئینگ ساخته بود ابتدایی بودند، اما می‌توانستند با ۱۰ کامپیوتر دیجیتال به یکدیگر متصل شوند. تنظیمات اتصال مذکور در سال ۱۹۷۰ از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها به حساب می‌آمد. همچنین خلبان کن ماتینگلی که به دلیل ابتلا به سرخک از ماموریت کنار رفته بود، حالا دوباره حضور داشت. ماتینگلی، خدمه پشتیبان و صدها مهندس ناسا برای شبیه‌سازی شرایط داخل فضاپیما به شبیه‌سازها روی آوردند. با اجرای چندین ماموریت فرضی که بسیاری از آن‌ها به کشته‌شدن خدمه شبیه‌سازی شده منجر می‌شد، تیم توانست آپولو ۱۳ را به طور ایمن به زمین بازگرداند.

تا سال ۲۰۰۵ آنچه ناسا با شبیه‌سازهای خود انجام داده بود، هیچ نامی نداشت و بعدها مفهوم Digital Twin را به خود اختصاص داد.

دوقلوی دیجیتال چیست؟

در اوایل دهه ۲۰۰۰ دکتر مایکل گریوز، دانشمند پژوهشگر و متخصص در زمینه توسعه محصول، اصطلاحی برای آنچه ناسا با شبیه‌سازهای خود انجام داده بود ابداع کرد. استفاده از دوقلوی دیجیتال یک محصول می‌تواند محصول واقعی را از همه جهت‌ها شبیه‌سازی کند. یک دوقلوی دیجیتال از واقعیت فیزیکی می‌تواند در پیش‌بینی، رفع اشکال یا حل مشکلات بدون هزینه یا ریسک تغییر یک فرآیند یا محصول، بسیار باارزش ظاهر شود.

رشد نمایی قدرت محاسبات کامپیوتر، هوش مصنوعی و اینترنت اشیا (IoT) در قرن ۲۱ باعث انفجار مفهوم دوقلوی دیجیتال شد. اینترنت اشیا انتقال داده‌ها بین همتای فیزیکی و دوقلوی مجازی را به صورت آنی ممکن می‌سازد و این امر قابلیت‌های همسان ساختگی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

حالا ایجاد شبیه‌سازی دقیق و واقعی به امری معمول تبدیل شده است. یک کامپیوتر خانگی می‌تواند ویژگی‌های عملکردی هواپیماهای پیشرفته یا خودروها را هم شبیه‌سازی کند. خلبان‌ها در شبیه‌سازهایی آموزش می‌بینند که موقعیت‌های دنیای واقعی را بدون خطر برای جان یا اعضای بدن تقلید می‌کند. ناسا با این تکنولوژی می‌تواند سیستم‌های فیزیکی در فضاپیماهای دوردست را کنترل کند.

دوقلوی مجازی فراتر از شبیه‌سازی است و با استفاده از اینترنت اشیا، داده‌ها را به صورت آنی بین همتای فیزیکی و دوقلوی ساختگی منتقل می‌کند. دوقلوی دیجیتال واقعی باید سه معیار را برآورده کند. این معیارها شامل نمایش کامل و دقیق از یک سیستم فیزیکی، اشتراک داده‌ها به‌صورت لحظه‌ای و رفتار واقعی می‌شوند.

مفهوم نوین همسان مجازی همچنین در آستانه ایجاد انقلاب در حوزه بهداشت و درمان است. کاربردهای بالقوه‌ آن شامل نظارت بر بیماران، درمان شخصی‌سازی‌شده، توسعه داروها و شبیه‌سازی جراحی می‌شود.

دوقلوهای ایستا، سایه‌وار، و هوشمند

دنیای دیجیتال از زمانی که دکتر گریوز در سال ۲۰۰۵ به محبوب‌سازی اصطلاح دوقلوی دیجیتال کمک کرد، تغییر کرده است. فناوری‌هایی که در بحران آپولو ۱۳ غیرقابل تصور بودند، اکنون به صنایع و دانشگاه‌ها کمک کرده‌اند تا مفهوم دوقلوی دیجیتال را تکامل ببخشند.

نخستین بار این مفهوم در بحران آپولو ۱۳ به عنوان یک مدل دوقلوی ایستا در نظر گرفته شد که کپی دیجیتال دقیق از یک سیستم فیزیکی است. سیستم‌هایی که ناسا استفاده کرد، شرایط موجود در آپولو را شبیه‌سازی می‌کردند. البته توانایی تغییر فیزیکی یا به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات با فضاپیما را نداشتند. همتای دیجیتال مانند سایه‌ای دیجیتالی می‌تواند داده‌ها را در زمان واقعی تبادل کند و اطلاعات دریافت‌شده را برای به‌روزرسانی مدل به کار گیرد. این امر نیازمند ارتباط بین دوقلوی مجازی و فیزیکی است؛ چیزی که در سال ۱۹۷۰ امکان‌پذیر نبود و اکنون به لطف پیشرفت فناوری ارتباطی امری عادی شده.

هدف نهایی، دوقلوی مجازی هوشمند است. یک دوقلوی مجازی هوشمند نه‌تنها مانند دوقلوی سایه‌ای داده‌ها را تجزیه تحلیل و تبادل می‌کند، بلکه از هوش مصنوعی برای یادگیری، استدلال، پیش‌بینی و برقراری ارتباط با دوقلوی فیزیکی بهره می‌گیرد. مثلا دریافت اطلاعات به‌روزشده از دوقلوی فیزیکی در آن فراهم می‌شود. دوقلوهای مجازی را می‌توانیم از منظر شبیه‌سازی درک کنیم، اما واقعیت این است که یک دوقلوی مجازی هوشمند بسیار پیشرفته‌تر است. چنین فناوری، پیوندی میان واقعیت فیزیکی و دنیای مجازی ایجاد می‌کند که می‌تواند مشکلات را پیش‌بینی و راهکارهای مفید ارائه کند.

ایجاد یک دوقلوی مجازی

اصطلاح مذکور، تصویری از یک دوقلوی همسان را تداعی می‌کند که جایی در دنیای مجازی به‌عنوان یک آواتار پیش‌بینی‌کننده مشکلات وجود دارد. تصور کنید تغییری در دوقلوی مجازی اعمال شود و مثلا آن را به یک بیماری مجازی مبتلا کنند. بعد از یک یا چند دوره درمان، نتیجه را بررسی کنند و این اطلاعات را برای انتخاب بهترین مسیر در درمان فرم فیزیکی به کار گیرند. البته ایجاد یک دوقلوی دیجیتال از ساختاری به پیچیدگی یک بدنه زیستی، کار ساده‌ای نیست. حجم عظیمی از داده‌ها را باید جمع‌آوری کرده و به کار گیرند تا یک دوقلوی مجازی همسان به وجود بیاورند. خوشبختانه (یا شاید متاسفانه) این داده‌ها در سال‌های اخیر دسترس‌پذیرتر شده‌اند.

اینترنت اشیا ابزارهای لازم برای جمع‌آوری و اشتراک‌گذاری حجم عظیمی از داده‌ها را فراهم کرده ، که از بسیاری آن‌ها می‌توانند برای ایجاد یک دوقلوی دیجیتال استفاده کنند. موضوع فقط جمع‌آوری داده‌های بیومتریک، جمعیتی و سبک زندگی نیست. دوقلوی دیجیتال موثر همچنین از سابقه بیماری در کنار ژنومیک (نقشه‌برداری ژنوم)، بیومیکس (مطالعه و استخراج مجموعه‌های بزرگ داده‌های زیستی)، پروتئومیکس (مطالعه برهم‌کنش‌ها و ساختار پروتئین‌ها) و متابولومیکس (مطالعه متابولیت‌ها) استفاده می‌کند تا درک عمیق‌تری از مسئله بهداشتی مورد نظر به دست آورد.

قدرت رو به رشد محاسبات و اثربخشی فزاینده هوش مصنوعی، دروازه‌های دوقلو‌سازی مجازی را بیشتر از تصور گذشته باز کرده است.

پیش بینی خطرات سلامتی

پزشک می‌تواند با جمع‌آوری، ترکیب و نظارت بر اطلاعات حیاتی، ژنتیکی، سبک زندگی و فیزیولوژیکی فرد تا حدی آینده را پیش‌بینی کند. یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های کاربرد دوقلوهای مجازی در حوزه سلامت، شناسایی خطرات سلامتی پیش از بروز آن‌هاست. فناوری می‌تواند جان میلیون‌ها نفر را نجات یا طول عمر آن‌ها را افزایش دهد.

فناوری‌ها و روش‌های تشخیصی تا حدودی همین کار را انجام می‌دهند. در هنگام توسعه درمان، اغلب پزشکان و جراحان یک تاریخچه جامع بیمار را که شامل عادات گذشته، آمار حیاتی و سابقه خانوادگی است، جمع‌آوری می‌کنند. دوقلوی دیجیتال می‌تواند این فرآیند را به حداکثر برساند.

وقتی یک مدل هوشمند دوقلوی دیجیتال از قبل هشدار بدهد، بیمار می‌تواند به شکلی بی‌سابقه کنترل سلامتی خود را در دست بگیرد. بهترین روش‌ها برای حفظ سلامتی مانند تغذیه سالم و ورزش منظم، می‌توانند با دقت بالایی برای دستیابی به نتایج مثبت تنظیم شوند. برای مثال، یک دوقلوی مجازی ممکن است زمینه ژنتیکی بیمار به تشکیل سنگ کلیه را شناسایی و به بیمار کمک کند تا پیش از وقوع اولین تجربه دردناک، از علل آن دور شود.

کاربرد تکنولوژی نوین در علوم پزشکی

در حالی که صنایع مختلف سالهاست از تکنولوژی دوقلوی دیجیتال استفاده می‌کنند، در حوزه سلامت همچنان مفهومی نسبتا جدید محسوب می‌شود. به‌هرحال، چه چیزی پیچیده‌تر از بدن انسان و سیستم‌های بی‌شمار آن است؟ با کمک پیشرفت هوش مصنوعی و دسترسی فزاینده به اطلاعات سلامتی، پزشکان و دانشمندان به موفقیت‌هایی در این زمینه دست پیدا کرده‌اند.

در سال ۲۰۱۹، تیمی از دانشگاه جانز هاپکینز مطالعه‌ای منتشر کردند که ناتالیا ترایانووا، استاد مهندسی زیست‌پزشکی، نویسنده اصلی آن بود. مقاله توضیح می‌دهد که چگونه تیم او دوقلوهای مجازی از حفره‌های فوقانی قلب ۱۰ بیمار مبتلا به فیبریلاسیون دهلیزی (ضربان قلب نامنظم) ایجاد کردند. با استفاده از اطلاعات این دوقلوهای مجازی، تیم توانست پیش‌بینی کند که جراحان باید کدام بافت‌های آسیب‌دیده قلب را بدون نیاز به انجام روش‌های پرهزینه یا خطرناک از بین ببرند.

موفقیت بعدی در کلینیک کلیولند حاصل شده که از مدل دوقلوی دیجیتال برای مطالعه تاثیر محیط بر سلامت استفاده کرده‌اند. پژوهشگران با استفاده از سوابق سلامتی، ویژگی‌های محیطی و داده‌های عمومی مدل‌سازی‌هایی از محله‌ها انجام دادند. هدف این بود به شرکت‌های بیمه و موسسات پزشکی اطلاعاتی ارائه دهند که چگونه بهترین اقدامات را برای رفع مشکلات بهداشتی در این جوامع انجام دهند.

دامنه کاربرد دوقلوهای دیجیتال در حوزه سلامت بسیار گسترده است. این فناوری می‌تواند همه چیز، از تحویل دارو تا مراقبت شخصی‌سازی‌شده و حتی تعیین حق بیمه‌های درمانی و موارد دیگر را متحول کند. با این حال، این مسیر هنوز هموار نیست زیرا کارشناسان بر این باورند که پیشبرد این علم نیازمند حمایت نهادی است.

حمایت دولتی از تکنولوژی خلاقانه و کاربردی

مفهوم مدل‌های دوقلوی دیجیتال در حوزه سلامت پتانسیل عظیمی دارد، اما با چالش‌های بزرگی نیز مواجه است. اینجا فرصتی واقعی برای گرد هم آوردن حوزه‌ها و رشته‌های مختلف به روش‌های جدید و ارزشمند وجود دارد، اما دستیابی به این ارزش نیازمند سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های بین‌رشته‌ای است.

ایجاد دوقلوهای دیجیتال نیازمند به‌اشتراک‌گذاری داده‌ها و قدرت محاسباتی عظیمی است که هر دو، گاهی برای پژوهشگران در دسترس نیستند. طرفداران این فناوری از نهادهای دولتی، از جمله مؤسسه ملی سلامت (NIH)، بنیاد ملی علوم (NSF) و وزارت‌خانه‌های دفاع و انرژی آمریکا خواسته‌اند تا کانال‌های بین‌سازمانی برای پیشبرد تحقیقات موردنیاز برای بهینه‌سازی فناوری ایجاد کنند.

همراه با سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA)، مؤسسه ملی سلامت (NIH) و بنیاد ملی علوم (NSF) تاکنون ۶ میلیون دلار برای توسعه دوقلوهای دیجیتال در سلامت و پژوهش‌های زیست‌پزشکی اختصاص داده‌اند. این مبلغ در مقایسه با ۲۸۵ میلیون دلاری که دولت بایدن برای پیشرفت فناوری دوقلوی دیجیتال در تولید نیمه‌رساناها اختصاص داده، بسیار ناچیز به نظر می‌رسد.

موانع موجود در این مسیر

پذیرندگان و تطبیق‌دهندگان فناوری دوقلوی مجازی در حوزه سلامت با چالش‌های متعددی از جمله محدودیت‌های فنی، کیفیت داده‌های در دسترس، و مسائل اخلاقی روبه‌رو هستند. ادغام مفهومی جدید و انقلابی مانند دوقلوهای مجازی در سراسر حوزه سلامت مستلزم تلاشی عظیم و هماهنگ خواهد بود.

ترکیب محاسبات، هوش مصنوعی، مدل‌های ریاضی و پزشکی در یک چارچوب منسجم که به‌طور گسترده در رشته‌های پزشکی قابل‌دسترس و کاربردی باشد، به سرمایه‌گذاری عظیم و زیرساخت‌های فنی پیشرفته نیاز دارد.

فرآیند شامل رفع موانع فنی، اطمینان از کیفیت و صحت داده‌ها و پرداختن به مسائل اخلاقی در رابطه با حریم خصوصی بیماران می‌شود. اکنون جمع‌آوری داده‌ها از طریق تلفن‌های هوشمند، فناوری‌های گجت پوشیدنی به امری رایج تبدیل شده است. از آن سو کیفیت داده‌ها که عمدتا شرکت‌های خصوصی جمع‌آوری می‌کنند، می‌تواند معیوب یا ناقص باشد. مسئله مذکور همچنین نگرانی‌های اخلاقی را مطرح می‌کند.

افزون بر این، هزینه بالای ایجاد یک دوقلوی مجازی ممکن است نابرابری‌هایی را ایجاد کند. به‌طوری‌که دسترسی به این فناوری به وضعیت اقتصادی اجتماعی افراد وابسته باشد و همه نتوانند از آن استفاده کنند.

اگر شرکت‌های خصوصی اطلاعاتی درباره تمام جنبه‌های جسمانی یک فرد از زندگی شخصی گرفته تا اطلاعات ژنومی جمع‌آوری کنند، آیا ممکن است این داده‌ها به‌طور غیراخلاقی استفاده شوند؟ آیا شرکت‌های بیمه می‌توانند بر اساس بیماری‌های پیش‌بینی‌شده توسط دوقلوی دیجیتال از ارائه خدمات بیمه خودداری کنند؟

آینده تکنولوژی هوشمند دوقلوی دیجیتال

ظهور فناوری دوقلوی دیجیتال طی دهه‌ها باعث بهبود سیستم‌های مختلف شده، اما کاربرد آن در حوزه سلامت پتانسیل عظیمی به همراه دارد و مسائل اخلاقی پیچیده‌ای نیز مطرح می‌کند. همچنان که دانشمندان و پژوهشگران به پیشرفت خود ادامه می‌دهند، یک نکته آشکار است؛ دوقلوهای دیجیتال ماندگار خواهند بود.

مجله Forbes  گزارش می‌دهد:

به نظر می‌رسد که این رقم به این زودی‌ها کاهش پیدا نکند. تکنولوژی ایجاد همسان مجازی در حوزه سلامت هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. تنها زمان می‌تواند نشان دهد که این فناوری چه مزایایی برای صنعت سلامت به ارمغان خواهد آورد. تشخیص‌های پیشگیرانه تنها نوک کوه یخ از مجموع ظرفیت‌های بالقوه این فناوری هستند.