عند وصوله إلى عمله في أحد أيام شهر أكتوبر الماضي، قام عالم البيئة كوين دي كونينج بما يفعله غالبًا في الصباح الأول: وهو تشغيل جهاز Crane Radar. وأظهر تطبيق الويب التفاعلي قطيعًا من الرافعات يتجه نحوه. اندفع إلى الخارج بحماسة، ونظر إلى الأعلى، وبالتأكيد، طار 60 طائرًا أو نحو ذلك في طريق هجرتهم جنوبًا.

إن Crane Radar هو توأم رقمي — تمثيل افتراضي لكيان في العالم الحقيقي وتقنية جديدة نسبيًا في علم البيئة (انظر go.nature.com/46rbkg4). يقول دي كونينج، الذي يعمل في جامعة وأبحاث فاجينينجن في هولندا، وهو من هواة تربية الطيور: “لقد رأيت بالتأكيد المزيد من الهجرة بفضل الرادار. وأنا أتعلم المزيد عن أنماط الهجرة أيضًا”.

وفي مجالات مثل التصنيع والبنية التحتية والرعاية الصحية، تم استخدام التكنولوجيا لنمذجة الأشياء بدءًا من المكونات الإلكترونية وحتى أجنحة المستشفيات في المملكة المتحدة وحتى دولة سنغافورة.

وتختلف أغراضهم. يمكن للتوائم الرقمية أن تجعل الحياة أسهل للمستخدمين الفرديين – على سبيل المثال، يتم تحديث خرائط جوجل باستمرار لمساعدة السائقين على التنقل في حركة المرور. يمكن لبرامج أخرى التنبؤ بآثار تغير المناخ على المدن، أو تخطيط الهندسة المعمارية، أو محاكاة العمليات الجراحية. يمكن استخدام HeartNavigator، وهو عبارة عن حزمة برمجية من شركة Philips الهولندية للتكنولوجيا الصحية، لتخطيط عمليات القلب مثل استبدال الصمامات، ومحاكاة الجراحة باستخدام نماذج وأحجام مختلفة للصمام للعثور على أفضل ما يناسب المريض.

استخدمت وكالة ناسا ما يُعتبر غالبًا أول توأم رقمي (كان يُطلق عليه آنذاك النموذج الحي) في عام 1970 لمعرفة سبب انفجار خزان الأكسجين في مهمة أبولو 13 القمرية ولإعادة رواد الفضاء إلى منازلهم بأمان. صاغ جون فيكرز، كبير التقنيين في الوكالة، مصطلح التوأم الرقمي في عام 2010، بعد سنوات قليلة من قيام مهندس الأنظمة الأمريكي مايكل جريفز بإضفاء الطابع الرسمي على المفهوم في عرض تقديمي للصناعة التحويلية عندما كان مديرًا مشاركًا لاتحاد تطوير إدارة دورة حياة المشروع في جامعة ميشيغان في آن أربور.

على مدى العقد الماضي، كانت هناك زيادة ملحوظة في تطوير التوائم الرقمية عبر مجموعة من المجالات. ويرجع ذلك في الغالب إلى زيادة توافر البيانات، وانتشار الأجهزة المتصلة بإنترنت الأشياء (IoT)، وتطور الذكاء الاصطناعي (AI) والحوسبة السحابية. من المتوقع أن ينمو سوق التوأم الرقمي العالمي بأكثر من سبعة أضعاف خلال السنوات الخمس المقبلة، وفقًا لأحد التقارير – من 21 مليار دولار أمريكي هذا العام إلى 150 مليار دولار في عام 2030 (انظر go.nature.com/4nctfu2). ويقول التقرير إنه من المتوقع أن يكون النمو الأسرع في مجال الرعاية الصحية، وذلك بسبب قدرة التكنولوجيا على الحد من الأخطاء وتحسين التشخيص والنتائج الجراحية.

بالنسبة لعلماء البيئة، تمثل التوائم الرقمية فرصًا فريدة. ولكن هناك قيود تحتاج إلى المعالجة، بدءا من ضمان الوصول الكافي إلى البيانات إلى التمويل المستدام.

التوائم الرقمية البيئية

يمكن أن تكون التوائم الرقمية مفيدة بشكل خاص لدراسة الأنظمة التي تتغير خارج المعايير التاريخية، كما تقول آنا دافيسون، التي تجري أبحاثًا حول التوائم الرقمية في علم البيئة بجامعة فاجينينجن للأبحاث. ويشمل ذلك كيفية تفاعل النظم البيئية مع تغير المناخ الناتج عن النشاط البشري. لذلك ربما ليس من المستغرب أن يستخدم علماء البيئة بشكل متزايد التوائم الرقمية لمعالجة الفجوات في أبحاث التنوع البيولوجي الناجمة عن تعقيدات النظام البيئي، والإجراءات الحكومية المرهقة، والافتقار إلى المراقبة في الوقت الحقيقي.

تم إطلاق Crane Radar في عام 2022، وهو واحد من أربعة توائم رقمية طورتها جامعة وأبحاث Wageningen كجزء من مشروع بقيمة 300 ألف يورو (352 ألف دولار أمريكي) ممول من الاتحاد الأوروبي، يسمى Nature FIRST. ويتنبأ بهجرة الرافعات المشتركة (الحصى الحصى) عبر هولندا وبلجيكا ولوكسمبورغ وشمال فرنسا وشمال غرب ألمانيا، مما يساعد مراقبي الطيور وعلماء البيئة على تحديد مواقع القطعان أثناء عبورهم المنطقة.

يقول دي كونينج إنه اختار ترحيل الرافعات ليكون محور أول توأم رقمي له بسبب وفرة البيانات ولأنها عملية بسيطة نسبيًا للنمذجة. وكان لديه أيضًا دافع شخصي: “كنت دائمًا في المكان الخطأ أو في المكان الخطأ في الوقت المناسب” لرؤية الرافعات، كما قال دي كونينج. “لقد ساعدني هذا النموذج حقًا شخصيًا في رؤيتهم كثيرًا.”

لبناء توأم رقمي، يحتاج العلماء أولاً إلى جمع البيانات ذات الصلة لكيان العالم الحقيقي، سواء كانت بيانات في الوقت الفعلي من أجهزة إنترنت الأشياء أو السجلات التاريخية. بعد ذلك، يتعين عليهم تطوير خوارزميات لتقليد سلوك التوأم الجسدي واختبار النموذج – على سبيل المثال، من خلال ملاءمة مجموعات البيانات التاريخية مع المجموعات الحديثة – قبل تطبيق النموذج المُدرب على البيانات في الوقت الفعلي.

تم إنشاء Crane Radar على مدار عام تقريبًا وتكلف حوالي 15.000 إلى 20.000 يورو، ويستخدم بيانات الهجرة (مصدرها Movebank، وهي قاعدة بيانات لتتبع الحيوانات على الإنترنت)، ومشاهدات في الوقت الفعلي بواسطة مراقبي الطيور وعوامل مثل سرعة الرياح واتجاه الرحلة لتقدير مكان تواجد الطيور خلال الساعات الأربع القادمة (ك. دي كونينج إيكول. يخبر. 85102938; 2025).

تعاون باحثو Wageningen مع Sensing Clues، وهي منظمة غير ربحية تعمل في مجال تكنولوجيا الحفظ في أمستردام، لتحويل نماذجهم إلى منصات يمكن الوصول إليها بسهولة وفهمها من قبل المستخدمين النهائيين – أفراد الجمهور، وصانعي السياسات، وغيرهم من الباحثين.

يمكن لمراقبي الطيور أيضًا تسجيل المشاهدات (بما في ذلك الموقع والوقت واتجاه الرحلة وعدد الرافعات) من خلال Observation.org، وهي منصة علمية للمواطنين للتنوع البيولوجي. يتم تحديث التوأم الرقمي للرافعة كل دقيقة؛ يعاني موقع الويب من تأخر طفيف، حيث يتم تحديثه كل خمس دقائق بتوقعات مدتها أربع ساعات لكل رؤية.

لقد لقي رادار الرافعة استحسانًا من قبل مراقبي الطيور الهولنديين. ويستقبل ما معدله 100 ألف زيارة يومية خلال ذروة موسم الهجرة في أواخر أكتوبر وأوائل نوفمبر، وينخفض ​​العدد إلى 1000 في الأيام الأكثر هدوءًا. يقول دي كونينج إنه بعد أن تم نشره في الأخبار الوطنية الهولندية، تفاعل أكثر من 300 ألف مستخدم مع التطبيق يوميًا خلال عطلة نهاية الأسبوع التالية.

يقول دافيسون، الذي طور توأمًا رقميًا لهجرة سمك الحفش الأبيض: “إنها حلقة مغلقة تمامًا ورائعة، حيث يكون المستخدم النهائي هو أيضًا مزود البيانات”.المغزل المغزل) في دلتا نهر الدانوب.

نمذجة النظم البيئية

ويجري الآن بناء توأم رقمي أكثر تعقيدًا ليعكس النظم البيئية في منتزه دونيانا الوطني في جنوب إسبانيا.

تقول ماريا بانيو، الباحثة في محطة دونيانا البيولوجية في إشبيلية: “تعد الحديقة منطقة أساسية للتنوع البيولوجي في أوروبا – ومع ذلك، فهي مهددة بسبب الأنشطة البشرية المتعددة”. وتشمل التهديدات الاستغلال المفرط للمياه، والتنمية الزراعية خارج المتنزه، والسياحة، وتغير المناخ. “أردنا أن نفهم كيف تؤثر كل هذه العوامل المختلفة على النظام البيئي في بيئة معقدة في الوقت الحقيقي، وليس من خلال تقديرات تقريبية بسيطة تعتمد على نوع واحد كما نفعل عادة في علم البيئة.”

يمثل الجهد الأول الذي قام به فريق بانيو نموذجًا للتفاعلات بين النباتات والأرانب والوشق الأيبيري (الوشق النمر) ، “الأنواع الأساسية” في الحديقة. لقد تحسنت حالة الحفاظ عليها مؤخرًا، حيث انتقلت من حالة معرضة للانقراض إلى حالة معرضة للخطر في العام الماضي، وذلك بفضل الجهود المبذولة لزيادة أعدادها، بما في ذلك حماية الموائل ونقل الحيوانات لتوسيع تنوعها الجيني.

إلى جانب قاعدة بيانات مفصلة لإحصائيات وحركات تكاثر الوشق (جميع أنواع الوشق المعاد إدخالها مزودة بأطواق تتبع نظام تحديد المواقع العالمي) وبيانات الأرانب من منظمات الصيد والمتنزهات الوطنية الأخرى، يستخدم الباحثون مقياسًا يسمى مؤشر الاختلاف الطبيعي للغطاء النباتي. يقيس هذا خضرة المناظر الطبيعية ويتم تحديثه باستمرار باستخدام صور الأقمار الصناعية لتقييم التغيرات في كثافة النباتات وصحتها. الهدف هو إظهار كيفية استجابة الأرانب للتغيرات في الغطاء النباتي والطقس، وكيف يستجيب الوشق بدوره للتغيرات في وفرة الأرانب. ستحدد النتائج أفضل الأماكن التي يمكن إعادة إدخال الوشق فيها إلى البيئة، والأماكن التي يمكن أن ينتقل إليها من مواقع الإطلاق تلك.

يوضح بانيو: “لقد بدأنا بشكل أساسي بجزء من النظام الذي يحتوي على أكبر قدر من البيانات والحاجة الأكثر إلحاحًا لإنجاز شيء ما”. وتأمل أن يقنع هذا النهج مديري المتنزهات بفائدة التوائم الرقمية قبل أن يبنوا نماذج أكثر تعقيدًا. “إنهم بحاجة إلى رؤية القيمة في هذا.”

وقام باحثون آخرون ببناء توائم رقمية لأنظمة الأنهار في جميع أنحاء أوروبا وإفريقيا وآسيا. تم بناء التوأم الرقمي لنهر Stiffkey في جنوب شرق إنجلترا من قبل شركة المياه الإقليمية Anglian Water وشركاء بما في ذلك Microsoft وجامعة سوفولك بالمملكة المتحدة. الهدف هو وضع استراتيجيات نموذجية لتحسين الصحة والتنوع البيولوجي في موائل الجداول الطباشيرية، وهو نوع نادر مهدد بارتفاع درجة حرارة المياه والتلوث. كما يجري تطوير التوائم الرقمية لنهر اليانغتسي في الصين وأجزاء من نهر دورو في البرتغال، إلى جانب ثلاثة توائم من الأنهار في كينيا.

الأنهار هي “بيئة غنية لإثبات جدوى هذه النماذج”، كما يوضح عالم الكمبيوتر لورانس نديرو، رئيس قسم الحوسبة في جامعة جومو كينياتا للزراعة والتكنولوجيا في كينيا بالقرب من نيروبي. “إنهم ديناميكيون للغاية.”

يقوم نديرو بتطوير توأم لحوض نهر مارا في مقاطعة ناروك، جنوب غرب كينيا، كجزء من التعاون بين جامعته ومنظمة تكنولوجيا الفضاء السلوفينية Space-SI في ليوبليانا، التي تبني تطبيقات للحصول على بيانات الأقمار الصناعية.

تتعرض منطقة ناروك لفيضانات شديدة دورية يمكن أن تهدد الحياة. يقوم فريق نديرو بتصميم توأمه الرقمي لتنبيه المجتمعات والسلطات بشأن أحداث الفيضانات المتوقعة، ودمج البيانات من محطات الأرصاد الجوية وأجهزة استشعار التربة والأقمار الصناعية، بالإضافة إلى معلومات حول نظام النهر والمناظر الطبيعية المحيطة. ويقول إن ذلك من شأنه أن يسمح للسكان الضعفاء بالتخطيط للمستقبل. على سبيل المثال، يستطيع الرعاة الرحل نقل ماشيتهم إلى مناطق مرتفعة.

ويضيف نديرو: “وإلا فسنتحدث دائمًا عما كان ينبغي القيام به، وهي محادثة مكلفة للغاية دائمًا”.

تحديات التوأم

ومع ذلك، فإن الاعتماد على أحدث البيانات يكشف عن تحدي رئيسي للتوائم الرقمية: وجود أجهزة استشعار في الميدان هو شيء واحد، ولكنها تحتاج إلى أن تكون متصلة بالإنترنت حتى تكون البيانات مفيدة. يمكن أن تكون جودة البيانات مشكلة أيضًا – يقول دي كونينج إن ملاحظات المواطنين للرافعات، على سبيل المثال، غالبًا ما تتضمن طوابع زمنية أو مواقع أو تعريفات غير دقيقة، مما قد يؤدي إلى تشويش النماذج الناتجة.

بالنسبة إلى نديرو، هناك أيضًا مسألة تخزين البيانات. تتطلب توائمه الرقمية كميات كبيرة من البيانات – بما في ذلك حوالي 2.5 تيرابايت من ملفات الفيديو المضغوطة سنويًا – والتي قد يكون تخزينها في السحابة في كينيا مكلفًا (يقدر بنحو 800 دولار أمريكي سنويًا). ويقول: “نحن نحاول التواصل مع الشركات (السحابية) مثل AWS لتزويدنا بذلك”.

يقول دي كونينج إنه نظرًا لأن التوائم الرقمية حديثة جدًا، فإن الناس غالبًا ما لا يدركون إمكاناتهم. يحتاج العلماء أولاً إلى شرح النتائج المحتملة قبل أن يتمكن المستخدمون من التعبير عن الكيفية التي يمكن أن يكون بها التوأم الرقمي مفيدًا لهم.

يقول بانيو ودافيسون إن التحدي أيضًا يتمثل في الاستدامة، وتحديدًا الموازنة بين الطبيعة قصيرة المدى لتمويل الأبحاث، وطول الوقت الذي يستغرقه إنشاء توأم رقمي، وتكلفة صيانته.