Gemelos digitales para revolucionar nuestro conocimiento de los oc¨¦anos

La utilizaci¨®n de gemelos digitales (reproducciones exactas de objetos o entornos), inaugurada por la industria aeroespacial, es algo habitual en la ingenier¨ªa y la fabricaci¨®n. Aunque el concepto no es nuevo, sus aplicaciones al mundo natural s¨ª lo son. A pesar de ello, prometen revolucionar nuestro conocimiento de los oc¨¦anos, los mares y las aguas, y convertirse en un punto de inflexi¨®n en nuestra capacidad de protegerlos y recuperarlos.

¡°Me gusta el t¨¦rmino ¡®gemelaci¨®n¡¯ porque refleja la evoluci¨®n. Es una muestra de lo mucho que ha evolucionado la comunidad dedicada a las ciencias del mar¡±

Martin Visbeck, director de la unidad de investigaci¨®n de Oceanograf¨ªa F¨ªsica del Centro Helmholtz de Investigaci¨®n Oceanogr¨¢fica de Kiel

¡°Los cient¨ªficos marinos intentamos entender los sistemas y sus din¨¢micas. Esto nos permite desarrollar modelos y hacer pron¨®sticos sobre el oc¨¦ano similares a los pron¨®sticos del tiempo en la atm¨®sfera. Ahora tenemos la capacidad de mirar al futuro lejano, pero nunca pens¨¦ que avanzar¨ªamos hacia una ingenier¨ªa de los oc¨¦anos como la que estamos viendo actualmente¡±, afirma Martin Visbeck, director de la unidad de investigaci¨®n de Oceanograf¨ªa F¨ªsica del Centro Helmholtz de Investigaci¨®n Oceanogr¨¢fica de Kiel (GEOMAR) y profesor de la universidad de esa ciudad alemana.

¡°Me gusta el t¨¦rmino gemelaci¨®n porque refleja la evoluci¨®n. Es una muestra de lo mucho que ha evolucionado la comunidad dedicada a las ciencias del mar. Estamos pasando de entender a planificar con el fin de lograr efectos positivos en los oc¨¦anos favoreciendo las soluciones inspiradas en la naturaleza, perfeccionando la econom¨ªa azul a fin de reducir su impacto ambiental, y fijando el tama?o y la localizaci¨®n ¨®ptimos de las ¨¢reas marinas protegidas¡±.

Visbeck forma parte de un ambicioso equipo de cient¨ªficos que colabora en el desarrollo de la misi¨®n de la Uni¨®n Europea Estrella de mar 2030: Recuperar nuestros oc¨¦anos y nuestras aguas. En esta iniciativa, el Gemelo Digital del Oc¨¦ano, m¨¢s conocido por sus siglas inglesas DTO, es un componente crucial para contribuir al cometido de recuperar los oc¨¦anos, los mares y las aguas de aqu¨ª a 2030 y hacer realidad el Pacto Verde Europeo.

De los fragmentos a la imagen de conjunto

Hay muchos ejemplos de c¨®mo los gemelos digitales est¨¢n ayudando a los investigadores y al sector privado a simular los futuros efectos del cambio clim¨¢tico y, m¨¢s en general, el efecto de la acci¨®n humana en el entorno. Un ejemplo es la acuicultura noruega, en la que los criadores de salm¨®n de los fiordos luchan contra el piojo de mar. La simulaci¨®n con gemelos digitales ayuda a los granjeros a encontrar las mejores soluciones para evitar la proliferaci¨®n de estos min¨²sculos par¨¢sitos.

Otro ejemplo lo tenemos en Pa¨ªses Bajos, donde la tecnolog¨ªa de los gemelos digitales est¨¢ ayudando a perfeccionar las intervenciones de protecci¨®n contra la subida del nivel del mar. Este gemelo digital en concreto se ha dise?ado para servir de base a las estrategias de defensa contra el avance de las aguas mediante la combinaci¨®n ¨®ptima de ampliaci¨®n de los diques, reforzamiento de los bancos de arena y fortalecimiento de los manglares y los arrecifes de coral.

¡°Ya tenemos fragmentos de los gemelos digitales¡±, se?alaba Visbeck. ¡°Esto no quiere decir que no tengamos la tecnolog¨ªa, pero en este momento los gemelos son parciales o responden a cuestiones muy espec¨ªficas. Estamos deseando tener el DTO, y hemos empezado a articular un marco para que los datos y los modelos est¨¦n mucho m¨¢s conectados y sean m¨¢s capaces de intercambiar informaci¨®n y utilizar la informaci¨®n intercambiada, de manera que se pueda tener una visi¨®n m¨¢s amplia e investigar los efectos en otras zonas del oc¨¦ano¡±.

De los repositorios de almacenamiento de datos al gemelo digital

Se mida como se mida, el oc¨¦ano es inmenso. Aunque resulte dif¨ªcil de imaginar, el 97% del agua de la Tierra se encuentra en los oc¨¦anos. Esto significa que crear modelos que procuren una comprensi¨®n integral del ecosistema oce¨¢nico del planeta es complicado y necesita grandes repositorios de datos, sistemas avanzados basados en la nube, y una computaci¨®n de alto rendimiento para procesar la informaci¨®n. Igualmente importante es aprovechar los recursos existentes, como el Servicio de Monitorizaci¨®n del Medio Ambiente Marino de Copernicus, la Red Europea de Observaci¨®n y Datos Marinos (respectivamente, CMEMS y EMODnet, por sus siglas en ingl¨¦s), y las infraestructuras de investigaci¨®n de la Comisi¨®n Europea, como el Observatorio Europeo Multidisciplinar del Fondo Marino y la Columna de Agua (EMSO por sus siglas en ingl¨¦s), Euro-Argo, Danubius o Jerico, as¨ª como sus herramientas digitales, entre ellas la Empresa Com¨²n Europea de Computaci¨®n de Alto Rendimiento.

La elaboraci¨®n de una imagen digital del entorno marino mundial que evolucione constantemente es la especialidad de Pierre Bahurel. ¡°Actualmente utilizamos sistemas oce¨¢nicos digitales para hacer pron¨®sticos relacionados con el oc¨¦ano y proporcionar informaci¨®n¡±, explica el director general de Mercator Ocean International, adem¨¢s de creador y director del CMEMS.

¡°Nuestro equipo y otros hemos trabajado en silos y creado bases de datos por separado¡±, explica. ¡°Ha llegado el momento de que los servicios de monitorizaci¨®n e informaci¨®n oce¨¢nica trabajemos juntos y combinemos los diferentes recursos. Es lo que estamos haciendo actualmente con la misi¨®n de recuperaci¨®n de los oc¨¦anos y las aguas. Combinando los distintos proyectos, al final conseguiremos, por ejemplo, ofrecer una primera versi¨®n de un DTO integrado¡±, detalla.

¡°Conocemos a los actores y sabemos qu¨¦ hacer. Creo que necesitaremos unos cuantos a?os para que funcione a la escala que so?amos, pero ser¨¢ realmente fant¨¢stico¡±.

Pierre Bahurel, director general de Mercator Ocean International y creador y director del CMEMS

Bahurel est¨¢ entusiasmado con la posibilidad de aplicar lo mejor de las ciencias marinas y la tecnolog¨ªa para llevar la oceanograf¨ªa a un nivel totalmente nuevo. ¡°Hay gente que quiz¨¢ diga que es demasiado pronto; a otros a lo mejor les parece demasiado tarde, pero yo creo que es el momento justo¡±, asegura Bahurel, que tambi¨¦n ha trabajado en Europa para Copernicus. ¡°Como es l¨®gico, tardamos algunos a?os y no fue f¨¢cil, pero nos reunimos con todos los actores y con otros que compet¨ªan por lo mismo, y decidimos asociarnos¡±.

Los mismos pasos se dar¨¢n ahora para llegar al Gemelo Digital del Oc¨¦ano. ¡°Haremos todo lo posible por presentar algo concreto dentro de un a?o¡±, precisa Bahurel. ¡°Nos esforzaremos por tener un buen plan en seis meses. Creo que necesitaremos unos cuantos a?os para que funcione a la escala que so?amos, pero ser¨¢ realmente fant¨¢stico¡±.

Una copia del oc¨¦ano que funcionar¨¢ en la nube

Los conocimientos que se adquieran a partir del gemelo ser¨¢n fundamentales para ayudar a los cient¨ªficos, los pol¨ªticos y los ciudadanos en general a entender el papel que desempe?an la naturaleza y los seres humanos en la configuraci¨®n del futuro del oc¨¦ano. Asimismo, ayudar¨¢ a dise?ar las mejores pol¨ªticas y las formas de gestionar los recursos oce¨¢nicos e h¨ªdricos para lograr el objetivo de la Uni¨®n Europea de alcanzar la neutralidad en carbono de aqu¨ª al a?o 2050.

Se trata de un importante punto de inflexi¨®n para quienes se dedican a hacer pron¨®sticos relacionados con el oc¨¦ano, como Nadia Pinardi, catedr¨¢tica de Oceanograf¨ªa de la Universidad de Bolonia que coordin¨® el seguimiento y la evaluaci¨®n del Punto de Control del Mar Mediterr¨¢neo de la red EMODnet.

¡°La representaci¨®n digital del oc¨¦ano nos ayudar¨¢ a ensayar soluciones en el futuro¡±, afirma. ¡°Igual que las empresas de ingenier¨ªa comprueban la fiabilidad de los objetos f¨ªsicos simul¨¢ndolos primero en el entorno digital, nosotros haremos lo mismo con el oc¨¦ano. Un gemelo digital es una manera de proteger nuestro medio ambiente costero sabiendo de antemano qu¨¦ soluciones funcionan mejor¡±, concreta.

¡°Igual que las empresas de ingenier¨ªa comprueban la fiabilidad de los objetos f¨ªsicos simul¨¢ndolos primero en el entorno digital, nosotros haremos lo mismo con el oc¨¦ano¡±

Nadia Pinardi, profesora de Oceanograf¨ªa de la Universidad de Bolonia

Por poner un ejemplo, Pinardi predice c¨®mo ayudar¨¢ el Gemelo Digital del Oc¨¦ano a mejorar la capacidad de adaptaci¨®n frente a las amenazas a la costa consecuencia de las tormentas y la subida del nivel del mar. ¡°Las marejadas cicl¨®nicas son resultado del efecto combinado de las mareas y los vientos fuertes¡±, explica. ¡°?Cu¨¢l es la soluci¨®n para defender el litoral y proteger las vidas y nuestras propiedades? Hasta ahora, las soluciones eran las barreras f¨ªsicas levantadas delante del mar y el relleno anual de las playas con arena. Es posible que algunos piensen que es mejor utilizar soluciones inspiradas en la naturaleza, ya que la naturaleza tiene la capacidad intr¨ªnseca de proteger las zonas costeras, por ejemplo, con las praderas marinas y los manglares... Aqu¨ª es donde el gemelo digital puede ayudar mostr¨¢ndonos claramente las diferentes soluciones, de manera que podamos encontrar la adecuada¡±.

A los investigadores, el DTO les ayudar¨¢ a predecir c¨®mo afectar¨¢n los cambios en el clima y la actividad humana a ecosistemas marinos como las praderas marinas del Mediterr¨¢neo y las migraciones del at¨²n. Al mismo tiempo, la tecnolog¨ªa podr¨ªa permitir a empresarios como los acuicultores obtener el m¨¢ximo de producci¨®n al predecir la salinidad, las corrientes y los episodios de calor extremos, con pron¨®sticos diarios del ox¨ªgeno, los nutrientes, los nitratos o las floraciones de algas nocivas. Asimismo, facilitar¨¢ que las autoridades locales ensayen qu¨¦ infraestructuras verde y azul podr¨ªan ofrecer soluciones resistentes a la subida del nivel del mar en distintos escenarios.

Para los ciudadanos, los modelos abiertos y p¨²blicos de la tecnolog¨ªa de los gemelos digitales crear¨¢n un bucle de realimentaci¨®n virtual en el que tambi¨¦n podr¨¢n interactuar y aportar informaci¨®n instant¨¢nea sobre su entorno. A su vez, esta informaci¨®n resultar¨¢ ¨²til para perfeccionar los modelos de las campa?as de observaci¨®n biol¨®gica y ecol¨®gica (como en el caso de la basura marina), o avanzar la planificaci¨®n en caso de alertas meteorol¨®gicas extremas, predicciones de multiplicaci¨®n de medusas peligrosas o playas no seguras para el ba?o.

Una vez operativo, el DTO posibilitar¨¢ que los cient¨ªficos vayan m¨¢s all¨¢ de las cifras y las hojas de c¨¢lculo, y cuenten la historia del oc¨¦ano. En opini¨®n de Viseck, el gemelo digital se puede utilizar para comunicar los problemas y las soluciones, lo cual constituye un aspecto clave de la gobernanza del cambio clim¨¢tico.

¡°En nuestra condici¨®n de cient¨ªficos, vemos que se avecinan fen¨®menos como el calentamiento y la subida del nivel del mar. Creo que para muchos no expertos todo esto es bastante abstracto, una serie de n¨²meros en gr¨¢ficos, tablas y mapas. Explicar que la Tierra va a cambiar para convertirse en m¨¢s seca y c¨¢lida y mostrar estos efectos en mapas no es f¨¢cil de comunicar a los no especialistas. Por desgracia, no todo el mundo sabe c¨®mo leer un mapa o interpretar los n¨²meros. Para la mayor¨ªa de las personas, es mucho m¨¢s intuitivo poner algo en relaci¨®n con lo que ven. Por ejemplo, todos entendemos los paisajes, o los paisajes oce¨¢nicos. Por eso, si podemos mostrar a la gente c¨®mo cambiar¨¢ el paisaje oce¨¢nico, eso dejar¨¢ huella y ayudar¨¢ a elegir entre distintas opciones de desarrollo. La manera en la que est¨¢n cambiando los paisajes terrestres y marinos es lo que impresionar¨¢ m¨¢s a los no expertos. Y creo que los gemelos digitales y las visualizaciones avanzadas nos permitir¨¢n precisamente eso¡±, remacha el cient¨ªfico.

Empieza una nueva aventura de creaci¨®n de gemelos digitales

En febrero de 2022 se puso en marcha uno de los mayores proyectos de creaci¨®n de gemelos digitales. El ILIAD, un emblem¨¢tico proyecto internacional financiado en el marco de la Convocatoria del Pacto Verde Europeo, ha sentado las bases para el desarrollo del Gemelo Digital del Oc¨¦ano (DTO) de ILIAD. Se trata de un gemelo digital interoperable con multitud de datos, dise?ado para aprovechar al m¨¢ximo las grandes cantidades de nuevos datos aportadas por las fuentes terrestres y las modernas infraestructuras de computaci¨®n, desde las redes sociales hasta el Internet de las Cosas.

Bas¨¢ndose en los recursos resultado de 20 a?os de inversi¨®n en pol¨ªticas e infraestructuras para la econom¨ªa azul, ILIAD aplicar¨¢ un enfoque de ¡°sistema de sistemas¡± para explorar el oc¨¦ano a trav¨¦s de una aplicaci¨®n de geovisualizaci¨®n con realidad virtual. La aplicaci¨®n combinar¨¢ la modelizaci¨®n de alta resoluci¨®n con la detecci¨®n instant¨¢nea de los par¨¢metros oce¨¢nicos y la utilizaci¨®n de algoritmos avanzados para predecir fen¨®menos espaciotemporales y reconocer pautas.

Concretamente, el DTO de ILIAD consistir¨¢ en varias r¨¦plicas instant¨¢neas o casi instant¨¢neas del oc¨¦ano. Estos gemelos digitales se utilizar¨¢n para facilitar el dise?o y el desarrollo de servicios inteligentes e innovadores, lo cual allanar¨¢ el camino a un gemelo digital del oc¨¦ano abierto, pr¨¢ctico y equitativo en la Uni¨®n Europea y fuera de sus fronteras, empezando por los pa¨ªses asociados. Se realizar¨¢n proyectos piloto de gemelaci¨®n digital en diversos sectores, como la energ¨ªa renovable marina, la pesca y la acuicultura, as¨ª como el tr¨¢fico marino y la seguridad de los puertos.

Para promover otras aplicaciones a trav¨¦s del DTO de ILIAD, los socios crear¨¢n el Mercado ILIAD, similar a una tienda de software, que los proveedores utilizar¨¢n para distribuir aplicaciones para tel¨¦fonos inteligentes, complementos, interfaces, datos en bruto, datos proporcionados por la ciencia ciudadana, informaci¨®n sintetizada y servicios de valor a?adido derivados del DTO de ILIAD.

La investigaci¨®n descrita en este art¨ªculo se financi¨® con fondos de la UE. Art¨ªculo publicado originalmente en Horizon, la Revista de Investigaci¨®n e Innovaci¨®n de la Uni¨®n Europea.

Traducci¨®n de NewsClips.

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal.