Miljarden uit gamewereld geven digital twin vaart

Met een game-engine onder de motorkap van zijn digital twin-toolbox lift Unit040 mee op de ontwikkelingen in de spelindustrie. De impact van gametechnologie op simulatie en visualisaties in de hightech heeft de traditionele cad-industrie verrast. ‘De kennis uit de wedloop van game-engineontwikkelaars tappen wij al jaren af voor de industrie’, aldus Guido van Gageldonk, cto van Unit040.

René Raaijmakers

Elk zichzelf respecterend hightechbedrijf en researchinstituut omarmt digital twin-technologie. Vanderlande optimaliseert er zijn logistieke systemen mee en Differ gebruikt het in de fusiereactorresearch. Imec en Philips storten zich op digital twins van het menselijk lichaam.

Een paar maanden geleden publiceerde Gartner een onderzoek dat liet zien dat de technologie op dit moment rap indaalt. Het onderzoeksbureau keek specifiek naar de bedrijven die producten ontwikkelen waarmee ze via internet in contact willen blijven. Daarvan gebruikt een op de zeven al digital twins, zegt Gartner. Maar liefst vijf op de zeven voert de technologie nu in of is van plan dat te doen.

In Nederland duikt de digitale tweeling steeds vaker op in combinatie met Unit040, een firma die in 2006 werd gestart door vijf studenten van de TU Eindhoven. Unit040 telt intussen enkele tientallen medewerkers en schreef al tientallen tweelingprojecten op zijn naam. Opvallend is dat het team onstuimig groeit in een wereld waar traditionele giganten als Autodesk, Dassault en Siemens de dienst uit lijken te maken als het gaat om ontwerpgereedschap.

Het vijftal behoorde tot de eerste lichting afgestudeerden van de studie Industrial Design. Dit is geen supergespecialiseerde richting, maar meer een veelzijdige opleiding die problemen van veel kanten benadert – sommigen noemen het een school voor uitvinders. Tijdens bedrijfsstages merkten de vijf dat veel bedrijven moeite hadden om hun producten uit te leggen, zowel intern als extern. Ze besloten daarom om de werking van apparaten en technologie via visualisaties zichtbaar te maken. Zo maakten ze een communicatietool voor een medische scanner van Philips Healthcare. Toen ze zagen dat met dit soort projecten best een boterham te verdienen valt, startten ze een incubatorproject.

Aanvankelijk bestonden hun services vooral uit het maken van animaties met weinig intelligentie. Maar gaandeweg gingen ze hun digitale modellen koppelen met software. Het doel was bijvoorbeeld om de animaties aan te sturen op de manier waarop je ook machines aanstuurt. Rond 2011 waren de eerste virtuele prototypes een feit.

De ingenieurs van Unit040 kwamen in die tijd ook op het idee om de game-engine Unity3D van het Amerikaanse Unity in te zetten als motor onder de animaties. De grootste horde en destijds showstopper was de benodigde rekenkracht. Dat maakte een virtueel prototype even duur als zijn fysieke evenknie, dus dat was weinig interessant voor de meeste klanten.

Maar zoals dat gaat met rekenkracht, schoot de technologische vooruitgang te hulp. Digitale kopieën werden goedkoper en vier jaar geleden besloot Unit040 stevig te investeren in de ontwikkeling van een platform waarmee klanten zelf aan de slag konden. Dit Prespective-platform bestaat inmiddels drie kwart jaar.

De resultaten zijn dusdanig dat Unit040 verwacht dat het zich geheel kan gaan richten op een licentiegebaseerd businessmodel. ‘Op dit moment moeten we ontwikkelaars nog wel overtuigen om met Prespective aan de slag te gaan’, zegt Guido van Gageldonk, chief technology officer en medeoprichter van Unit040. ‘Dus helpen we klanten nu nog volop met het maken van hun digital twins. Maar onze visie is om binnen nu en vijf jaar nagenoeg geen consultancy meer te doen en alle business uit ons digital twin-besturingssysteem te halen.’

Die ambitie kwam twee weken geleden opnieuw een stap dichterbij. Toen maakte Unity bekend dat het de Eindhovense digital twin-toolbox wereldwijd gaat verkopen via zijn saleskanaal. ‘Unity wil een vuist maken in de maakindustrie’, zegt Daniel Fanego, verantwoordelijk voor businessdevelopment bij Unit040. ‘Met deze deal gaat onze salescapaciteit met zeventig mensen omhoog.’ Fanego verwacht dat het huidige team van 24 medewerkers het komende jaar bijna zal verdubbelen.

Fortnite

Waar komt digital twin vandaan? Michael Grieves claimt de term voor het eerst in 2003 te hebben gebruikt tijdens zijn colleges over product lifecycle management op de universiteit van Michigan. In zijn visie helpen virtuele representaties van de werkelijkheid om producten of services te verbeteren. Digital twins versnellen de ontwikkeling van een machine en maken het daarnaast mogelijk om de kwaliteit gedurende de hele levensduur te verbeteren.

De wens om de werkelijkheid te simuleren, bestaat al veel langer. Om de rekenkracht van hun workstations te demonstreren, lieten bedrijven als Sun Microsystems midden jaren negentig al zien hoe ze de logistiek van hele fabrieken nabootsten. Inclusief mensen, al zagen die er naar de huidige maatstaven nogal krakkemikkig uit.

Een kwart eeuw later ontwikkelde Unit040 met Vanderlande een digitale tweeling van een check-inpunt voor ruimbagage op luchthavens, inclusief passagiers en veiligheidsbeambten. Met de realtime simulaties kon de marktleider voor bagageafhandeling uit Veghel de bottlenecks in het systeem minimaliseren. De menselijke animaties zijn van het niveau dat je ook in Grand Theft Auto (GTA) of Fortnite aantreft.

Polygonen of vectoren

‘Wij noemden het zes jaar geleden nog geen digital twin’, zegt Van Gageldonk. ‘We wisten niet eens dat het woord bestond. Toen hadden we het nog over virtual prototyping en virtual commissioning.’

Unit040 maakt nog steeds gebruik van technologie die ook aan de basis staat van animatiefilms en computerspellen. Ontwikkelaars van games en tekenfilms beschrijven de driedimensionale wereld in polygonen (driehoekjes) en vertices (de punten waar de zijdes van deze driehoekjes elkaar ontmoeten). Ook deelt deze software de tijd op in discrete eenheden. ‘Het hele framework is daarnaast uitermate geschikt om materiaaleigenschappen toe te kennen aan de 3d-objecten die je met polygonen en vertices samenstelt. Je kunt vervolgens aan deze elementen rekenen en alle processen volgen in de tijd’, legt Van Gageldonk uit.

Autodesk, Dassault en Siemens zijn ook op de digital twin-trein gesprongen, maar ze ontwikkelen hun tooling vooral op basis van de vectortechnologie waarmee ze eerder hun cad-gereedschappen bouwden. De geschiedenis daarvan gaat terug tot de jaren zeventig en tachtig. In de jaren negentig kwamen daar ook analysemogelijkheden bij zoals berekeningen voor eindige elementen. ‘De technologie is gebaseerd op wiskundige formules en vectorbeschrijvingen’, zegt Van Gageldonk. ‘Dat heeft als nadeel dat simulaties, zoals complexe analyse van materialen, veel rekenkracht vergen.’

Wedloop

Door gebruik te maken van technologie uit de gamewereld kan Unit040 meeliften op de ontwikkelingen in een industrie die veel meer vaart heeft dan de traditionele cad-industrie. De Eindhovense speler ontwikkelt zijn tools bovenop de game-engine Unity3D van Unity, een van de grootste ontwikkelaars op dit gebied. ‘We gebruiken Unity3D als core-engine voor visualisatie en simulatie. Wij hebben gekozen voor technologie uit de game-industrie, omdat die veel meer geld investeert in engineontwikkeling dan de traditionele toolleveranciers’, aldus Van Gageldonk.

De totale wereldwijde markt voor spelletjes stijgt dit jaar naar zo’n 150 miljard dollar. De omvang van de enginemarkt groeit naar verwachting naar 3 miljard dollar in 2022. Dit creëert een momentum waar cad-leveranciers als Ansys, Autodesk en Dassault met omzetten van respectievelijk ruim 1, 2 en 3 miljard dollar moeilijk tegenop kunnen.

Bij de grote spelers in de game-enginemarkt, Crytec, Unity, Unreal en Rockstar, verfijnen duizenden engineers de algoritmes, spelwiskunde en software om spelletjes en animaties nog realistischer te maken. ‘Alleen al bij Unity werken vierduizend mensen. Een groot aantal daarvan sleutelt voortdurend aan de wiskundige core-engines. Die ontwikkelkracht zit niet achter Siemens NX of de Dassault-tools voor 3d-simulaties. Die wedstrijd is vrijwel niet meer te winnen’, stelt Van Gageldonk.

De Unit040-cto vertelt met enige bewondering hoe het er in de game-industrie aan toe gaat. Als voorbeeld geeft hij het spel Fortnite van Epic Games. ‘Tientallen miljoenen mensen hebben dat spel gedownload.’ De motor achter Fortnite is Engine 4 van Unreal. ‘In die spellen wil je dat de visualisatie en fysica zo realistisch mogelijk zijn. Dat is de wedloop die de engineontwikkelaars met elkaar voeren en die kennis tappen wij al jaren af voor de industrie. Overigens niet alleen wij. Er zijn meerdere bedrijven die dezelfde conclusie hebben getrokken.’

Nvidia

Door te kiezen voor gametechnologie lift Unit040 niet alleen mee op de software, maar ook op de hardwareontwikkeling in die markt. ‘Als je de wereld ophakt in kleine discrete objecten als polygonen en vertices, dan kun je daarmee ook veel gemakkelijker parallelle berekeningen uitvoeren op grafische processoren’, zegt Van Gageldonk. ‘De chipontwikkelingen bij bedrijven als AMD en Nvidia gaan razendsnel. Een van de uitdagingen die coreontwikkelaars hebben, is om de stijgende rekenkracht en toenemende mogelijkheden van grafische processoren te blijven uitbuiten.’

In deze technologierace werkt het ook andersom. Om nog meer slagkracht te verwerven, zien de grote engineontwikkelaars uitbreiding in andere markten als onontbeerlijk om hun technologie te versnellen en verbeteren. Van Gageldonk: ‘Crytec, Unity, Unreal en Rockstar hebben allemaal aangegeven dat ze zich op industriële toepassingen willen richten.’

Hij constateert dat ook de traditionele cad-spelers wakker worden. ‘Autodesk kondigde onlangs een partnership aan met Unity, en Siemens kocht eind 2017 Tass International in Helmond, waar ze ook een soort discrete engine maken.’ Siemens wil met de simulatiesoftware van Tass zijn positie versterken in de markt voor zelfrijdende auto’s en systemen voor bestuurdersassistentie.

Volgens Van Gageldonk loopt een bedrijf dat inzet op de ontwikkeling van een eigen engine die het alleen gebruikt voor eigen tooling per definitie achter de feiten aan. ‘Dit is een spel in een markt met exponentiële groei. Ook bij Google hebben ze jaren geleden onderkend dat de traditionele cad-wereld hen niet kon helpen. Google-engineers ontwikkelden de technologie voor zelfrijdende auto’s op basis van de Rockstar-game-engine die ook onder de motorkap zit van GTA.’

Ongekend communicatiemiddel

De traditionele cad-fabrikanten moeten wellicht wat hobbels overwinnen om te concurreren met digital twin-tooling, maar hun eigen technologie is daarmee niet overbodig. In feite komt de meeste informatie voor een digital twin zoals 3d modellen, software, interfaces en elektronische schema’s uit standaard engineeringtools. Voeg bij deze informatie ook fysische wetten, informatie over zwaartekracht, massa en thermodynamica, en het resultaat is een vrij accuraat model van het product en zijn omgeving.

De voordelen zijn niet beperkt tot de ontwikkeling. Als een product eenmaal in het veld of bij de klant staat, dan kan sensorinformatie helpen om de digital twin te verbeteren of om diagnose of onderhoud te doen.

Een digital twin is geen vervanging van 3d-tools, maar wordt in eerste instantie gevoed met de output van bestaande designpakketten. Wel voegt het een nieuwe abstractielaag toe, waardoor de samenhang beter is te zien en te testen. Ook blijft een digitale tweeling altijd een benadering van de werkelijkheid. ‘Maar we worden maximaal geholpen door de wet van Moore.’

Een van de grote voordelen is dat engineeringafdelingen een communicatiemiddel in handen krijgen dat zijn weerga niet kent. Teams en engineers van verschillende disciplines kunnen samen de resultaten en uitwerking van hun werk zien en bespreken. Unity’s technisch productmanager Edward Martin onderstreepte dit op een recent event op de Brainport Industries Campus. ‘Hoe complexer een systeem is, hoe meer je te maken krijgt met onverwacht gedrag. Zeker als grote teams aan een project werken. Het resulteert in vertraging, uit de hand lopende kosten en gemiste businesskansen.’

Digital twin helpt om de traditionele barrières te slechten tussen mechanica, elektronica, software en mechatronica. Digitale tweelingen maken het mogelijk voor ontwikkelaars om hun werk dieper te analyseren en problemen te voorkomen. Doordat issues eerder zichtbaar zijn, zitten alle stakeholders eerder op één lijn en kunnen kostbare fouten worden voorkomen.

In de engineeringpraktijk blijven hoofddomeinen als mechanica, elektronica en software hun onderdelen of modules ontwikkelen. ‘Het interessante is dat iedereen zijn traditionele tooling houdt. Ze gaan niet ineens in onze tooling een 3d-model tekenen of een fem-analyse doen. Dat blijven ze doen in de vectorwereld, want die is daar veel geschikter voor. Dat zijn de omgevingen die je nodig hebt om iets maakbaars te ontwerpen: de geometrie in Autodesk, de mechatronica met Matlab, de elektrische schema’s met Eplan, de software met Verums Dezyn, Visual Studio, de Cordis Suite of de Festa Suite’, zegt Van Gageldonk. ‘Onze simulatietooling is er veel meer om te valideren of je aannames kloppen, om te communiceren tussen de disciplines. Het enige dat wij doen, is zorgen dat die werelden bij elkaar komen in het nieuwe platform. Zo tillen we alles naar een hoger niveau.’