數字雙胞胎解釋：這項突破性技術如何能夠早期預測健康風險
在1970年4月11日，阿波羅13號太空船啟程前往月球登陸任務時，數字雙胞胎的概念尚未被提出。旅程的第三天，當船上的氧氣罐進行例行攪動時，發生了一場災難性的爆炸，任務因此出現意外轉折。
在進行了一些診斷測試後，NASA團隊發現氧氣罐的爆炸嚴重損壞了一台引擎。更糟糕的是，受損的太空船正將珍貴的氧氣排放到太空中，這對於艙內的宇航員——吉姆·洛威爾、弗雷德·海斯和傑克·斯威格特來說，無疑是個噩耗。當時，太空船距離地球超過20萬英里，遠遠超出任何地面或物理干預的範圍。損害的診斷和修復只能依靠船員所擁有的設備來完成。
NASA擁有15台用於訓練和任務規劃的模擬器。雖然與NASA最新的模擬器相比相當簡陋，但它們可以通過最多10台數字電腦連接起來，這在1970年已經是尖端技術。當時的指揮艙飛行員肯·馬丁利因為接觸到德國麻疹而被替換，但馬丁利和備用船員以及數百名NASA工程師利用模擬器重現了太空船內的條件。經過多次假設性任務的運行，雖然許多任務模擬的船員遇到了致命的情況，但團隊最終成功將阿波羅13號安全帶回地球。
直到2005年，NASA通過模擬器所做的工作才被賦予一個名稱——數字雙胞胎（DT）概念。
什麼是數字雙胞胎？
在2000年代初，研究科學家及產品開發專家邁克爾·格里夫斯（Dr. Michael Grieves）為NASA使用模擬器的工作創造了一個術語，並加入了更多的技術。數字雙胞胎是指一個產品的虛擬雙胞胎，它在各個方面都能反映實際產品。物理現實的數字雙胞胎在預測、排除故障或解決問題方面具有不可估量的價值，而不必承擔改變過程或產品的成本或風險。
21世紀計算能力、人工智能和物聯網（IoT）的指數增長使數字雙胞胎的概念得到了爆炸式的發展。物聯網能夠實時在物理對應物和數字雙胞胎之間傳輸數據，從而顯著增強了數字雙胞胎的功能。
創建一個極其準確的虛擬模擬已經變得司空見慣。家用電腦可以模擬先進飛機或汽車的性能特徵。飛行員可以在模擬器中進行訓練，模擬現實世界的情況，而不會對生命或肢體造成風險。NASA可以控制遠程航天器上的物理系統。全球航運業可以在不冒險的情況下確定對其物流鏈進行更改的影響。
虛擬雙胞胎超越了模擬，通過物聯網實時傳輸數據。真正的數字雙胞胎必須滿足三個標準——完美地代表一個物理系統，瞬時及持續地共享數據，以及表現出現實的行為。
這一概念正處於革命醫療保健的邊緣，其潛在應用範圍從病人監測和個性化治療到藥物開發和外科手術模擬。
靜態、影子和智能雙胞胎
自從格里夫斯博士在2005年幫助推廣數字雙胞胎術語以來，數字世界發生了翻天覆地的變化。當年在阿波羅13號危機期間的第一個版本可以被視為靜態雙胞胎模型，這是一個物理系統的精確數字副本。NASA使用的系統重現了阿波羅號上的條件，但無法物理改變或與太空船共享信息。影子數字雙胞胎可以實時交換數據，並應用這些信息來更新模型。這需要虛擬雙胞胎和物理雙胞胎之間的連接——這在1970年是不可能的，但現在卻因通信技術的出現而變得司空見慣。
最終目標是智能虛擬雙胞胎。智能虛擬雙胞胎不僅能像影子雙胞胎那樣合成和共享數據，還能利用人工智能進行學習、推理、預測和與物理雙胞胎進行通信，包括接收來自物理雙胞胎的更新信息。雖然虛擬雙胞胎可以通過模擬來理解，但實際上智能虛擬雙胞胎的複雜程度要高得多。它在物理現實和虛擬世界之間創造了一個鏈接，能夠預測問題並應用解決方案。
創建數字雙胞胎
這一術語讓人聯想到一個在虛擬世界中生活的相同雙胞胎，作為一個“煤礦中的金絲雀”化身。如果在虛擬雙胞胎中引入改變，比如虛擬疾病和一系列（或幾系列）治療，觀察結果，然後利用該信息來選擇最佳的治療方案。當然，創建一個像生物結構這樣複雜的數字雙胞胎並非易事。必須收集和利用大量數據來製作一個相同的虛擬雙胞胎。幸運的是（或者說不幸，根據你的觀點），這些數據在近年來變得越來越容易獲得。
物聯網有能力收集和共享大量數據，其中許多數據可以用來創建數字雙胞胎。然而，這不僅僅是收集生物特徵、人口統計和生活方式數據。有效的數字雙胞胎還需要整合疾病登記以及基因組學（基因組映射）、生物組學（大規模生物數據的研究與提取）、蛋白質組學（研究蛋白質的相互作用和結構）和代謝組學（研究代謝物）等，從而更深入地了解健康問題。
計算能力的增強及人工智能的效率提升，為虛擬雙胞胎的創建打開了更大的大門，這在幾年前是難以想像的。
預測健康風險
通過收集、合成和監測個體的生命體徵、基因、生活方式和生理信息，並利用虛擬雙胞胎應用機器學習、預測數學模型和人工智能，醫生在某種程度上可以預測未來。
將數字雙胞胎應用於醫療保健的一個最吸引人的方面是能夠在健康風險出現之前進行檢測。想像一下，醫生可以在任何徵兆或症狀出現之前識別並制定乳腺癌的成功治療方案。這項技術可以拯救或延長數百萬人的生命。
診斷技術和方法已經在某種程度上做到這一點。在開發治療方案時，大多數醫生和外科醫生會生成詳細的病歷，包括過去的生活習慣、生命體徵和家族歷史。數字雙胞胎可以最大化這一過程。
通過智能數字雙胞胎模型預先警告的病人可以前所未有地掌控自己的健康。保持健康的最佳實踐，如健康飲食和充足運動，可以被精準聚焦以最大化正面結果。虛擬雙胞胎可能會發現病人基因上容易形成腎結石的傾向，從而讓病人在第一次痛苦發作之前避免病因。
數字雙胞胎技術在醫療保健中的應用
雖然數字雙胞胎技術在各行各業已經使用多年，但在醫療保健領域仍然相對年輕。畢竟，沒有什麼比人體及其無數系統更為複雜。隨著人工智能的興起和健康信息的日益可獲得，醫生和科學家在醫療領域取得了一些成功。
2019年，約翰·霍普金斯大學的一個團隊發表了一項概念證明研究，由生物醫學工程教授娜塔莉亞·特拉揚諾娃（Natalia Trayanova）主導。報告詳細說明了她的團隊如何創建了10名患有心房顫動（不規則心跳）患者的心臟上腔的虛擬雙胞胎。利用虛擬雙胞胎得出的信息，團隊預測了外科醫生需要消除病變心臟組織的位置，從而避免了對病人進行昂貴或危險的手術。
另一個成功案例來自克利夫蘭診所，他們使用虛擬雙胞胎模型研究環境對健康的影響。通過使用健康記錄、環境特徵和公開數據來建模社區，為保險和醫療公司提供了如何最好地緩解這些社區健康問題的建議。
數字雙胞胎在醫療保健中的應用範圍廣泛。它可以改變從藥物輸送到個性化護理，再到保險費率及其間的所有事物。然而，數字雙胞胎並非一帆風順，專家們指出，需要制度支持以推動科學的進步。
聯邦對數字雙胞胎的支持
數字雙胞胎模型在醫療保健中的應用潛力巨大，但也面臨著巨大的挑戰。正如凱倫·威爾科克斯（Karen Willcox）在美國國家科學院所說的那樣，“數字雙胞胎在工程、自然世界和醫學等科學和技術領域中具有巨大的潛力。我們的報告清楚地表明，這裡有一個真正的機會，可以以新的、有價值的方式將不同領域和學科結合在一起，但要實現這一價值，需要對跨學科基礎進行投資。”
創建數字雙胞胎依賴於數據共享和巨大的計算能力，這兩者有時對於研究人員來說都是無法獲得的。支持者呼籲聯邦機構，包括國家衛生研究院（NIH）、國家科學基金會（NSF）以及國防部和能源部，建立跨機構的渠道，以促進所需的研究，以最大化數字雙胞胎技術的有效性。
與美國食品藥品監督管理局（FDA）一起，NIH和NSF已經撥款600萬美元，用於開發數字雙胞胎在醫療保健和生物醫學研究中的應用。這筆資金與拜登政府為推進數字雙胞胎技術在半導體製造方面提供的2.85億美元相比，顯得微不足道。
障礙
在醫療保健中採用和調整虛擬雙胞胎技術的用戶和適應者面臨多個挑戰，包括技術限制、可用數據的質量和道德問題。將像虛擬雙胞胎這樣的新型革命性概念融入整個醫療保健領域，需要一場巨大的、協調一致的努力。將計算、人工智能、數學模型和醫學結合成一個整潔的包裹，讓其在各醫學學科中可獲得和適用，將需要巨大的投資和高度複雜的技術基礎設施。
此外，雖然通過智能手機、可穿戴傳感器技術（如Peloton心率帶或Facebit面罩）等手段收集數據已變得普遍，但這些數據的質量，主要是通過私營公司收集的，可能存在問題。這也引發了道德上的顧慮。此外，創建虛擬雙胞胎的成本可能會造成社會經濟地位不同的人之間的差距——這是一個在美國醫療社群中已經存在的話題。
另一個熱門話題是對個人數據隱私的擔憂。如果私營公司收集有關一個人的每一個身體方面的數據，甚至包括家庭生活和基因組信息，這些數據是否可能在不道德的情況下被應用？保險公司是否會根據數字雙胞胎的預測疾病拒絕提供保險？汽車行業已經在為保險公司收集駕駛數據。物流運營或汽車的數字雙胞胎遠比將一個活生生的人簡化為數據要不個人化得多。
展望未來
數字雙胞胎技術的出現已經改善了數十年的系統，但其在醫療保健中的應用潛力巨大，同時也帶來了一些棘手的倫理和道德問題。隨著科學家和研究人員的持續努力，有一件事似乎是明確的——數字雙胞胎將會長期存在。
根據《福布斯》的報導，“到2025年，25%的醫療保健交付組織將在其數字轉型策略中包括正式的數字雙胞胎計劃。”這一數字似乎不會在短期內下降。隨著數字雙胞胎在醫療保健中的發展仍處於嬰兒期，只有時間會告訴我們它可能在醫療行業帶來的好處。預防性診斷僅僅是冰山一角。
數十年前，三名宇航員在軌道上無助地漂浮，氧氣即將耗盡，回家的希望渺茫。通過重現和模擬太空船內的條件，NASA的團隊利用數字雙胞胎概念的早期示例拯救了他們的生命。看來這僅僅是個開始。
在數字雙胞胎技術的推動下，未來的醫療保健將會迎來前所未有的變革，而這樣的變革不僅僅是技術的進步，更是對人類健康管理方式的重新定義。
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