Jumeaux numériques et société : entre avantages et limites

Plus de 38% : c’est la croissance que devrait connaître le marché des jumeaux numériques chaque année. Il passerait ainsi la barre des 26 milliards de dollars d’ici 2025 selon Matthias Heutger, vice-président sénior de DHL[1]

Le 23 mai 2020 

·      Le concept de jumeau numérique

Lors d’une mission de la NASA en 1970 les réservoirs d’oxygène de l’Apollo 13 explosent. Il faut alors sauver les trois astronautes de la navette. À l’aide d’une réplique physique similaire à celui de la fusée Apollo 13 sur Terre, les ingénieurs de la NASA testent différentes options. Ils transmettent ensuite la solution aux astronautes : l’ancêtre du jumeau numérique est né ! [2]

Le docteur Michael GRIEVES, enseignant à l’université du Michigan est l’un des premiers à avoir utilisé le terme de jumeau numérique[3]. Il soulignait que les jumeaux numériques ne peuvent être créés ex nihilo. En effet, un jumeau numérique ou « digital twin » est une réplique numérique d’une réalité, telle qu’un processus, un système, un objet ou bien une personne. L’exploitation de ce jumeau numérique permet ensuite d’améliorer sa réalité relative. 

Mais c’est seulement dans les années 1990 que ce concept est formalisé par David GELERTNER dans son ouvrage Mirror Worlds or The Day Software Puts the Universe in a Shoebox… How it Will Happen and What it Will Mean [4]. Depuis, les jumeaux numériques sont utilisés par de nombreuses entreprises. Le cabinet Gartner les place même à la cinquième place sur dix des tendances technologiques pour 2017[5]

·      Les jumeaux numériques et l’industrie 4.0

Les jumeaux numériques s’inscrivent parfaitement dans le concept d’industrie 4.0, connue encore sous le nom d’industrie du futur. En effet, selon le chercheur et professeur en Systèmes d’Information à Grenoble École de Management, Federico PIGNI, le « digital twin est un élément fondamental de l’industrie 4.0 ». Cette nouvelle forme d’industrie organise des processus de production induits par les innovations de l’Internet of Things (IoT) regroupant l’ensemble des objets connectés. La technologie du jumeau numérique est un élément clé dans cet essor. Elle permet de décomplexifier les écosystèmes de l’IoT et de pousser leur efficacité encore plus loin.

Avoir une liaison en temps réel entre les mondes virtuels et physiques : voilà l’avantage principal de cette technologie. En effet, le modèle physique va alimenter en continu son jumeau virtuel en données. Ces dernières sont recueillies par le biais d’un très grand nombre de capteurs situés sur le modèle physique. Ainsi, cela va permettre d’obtenir une vision en temps réel de l’état d’un produit. 

                                     Source : Processus d’un digital twin, Deloitte [6]

·      Des coûts trop importants ?

Bien sûr, toute technologie a un coût et on remarque que celui d’un jumeau numérique est encore très important. Par conséquent, pendant longtemps seules les industries de pointe, notamment dans l’aéronautique et le spatial utilisaient cette technologie. Les choses sont cependant sur le point de changer. En effet, la numérisation de l’industrie a permis une réduction drastique des coûts. Ainsi, il n’est plus indispensable de passer par la création physique d’un objet pour le visualiser numériquement et réaliser des tests sur celui-ci ! Cette réduction est tellement importante que selon une étude du cabinet Gartner, 75% des entreprises de « l’Internet des objets » avaient prévu de mettre en place des jumeaux numériques en 2019[7].

On perçoit déjà que de nombreuses entreprises bénéficient d’un gain de coût grâce aux jumeaux numériques. En effet, degrosses entreprises comme DHL, Dassault ou bien Airbus ont déjà implanté ou prévoient d’implanter cette technologie au sein de leurs locaux. Dans le secteur de l’aviation, le jumeau numérique permet aux géants Dassault et Airbus de diminuer de façon considérable leurs coûts. Cette économie concerne notamment les tests qui pourraient s’avérer très coûteux en cas d’échec. Le professeur Federico PIGNI nous a confirmé que pour lui, les deux avantages principaux des jumeaux numériques étaient le gain de coût et de temps

Si ces gains sont des avantages non négligeables, cette technologie permet aussi d’améliorer la phase de développement, de maintenance et les performances à long terme d’un produit. L’Oréal utilise par exemple cette technologie pour reformater ses lignes de production afin que le temps de latence entre deux formats soit inférieur à 20 minutes. Selon L’Oréal ce « processus (…) pouvait prendre plus de quatre heures précédemment ! »[8].

·      Identification des risques et analyse des données pour une meilleure optimisation  

Grâce aux quantités de données emmagasinées, il est possible d’anticiper les éventuelles pannes et défaillances techniques d’un objet en les détectant plus tôt grâce à son jumeau numérique. À titre d’exemple, on peut estimer à quelle date un ascenseur aura besoin d’une révision technique grâce aux simulations effectuées sur le modèle virtuel.  

D’après le rapport de 2017 de DHL[9], la mise en place de cette technologie au sein de la logistique pourrait avoir des avantages énormes sur l’ensemble de la chaîne de valeur. Ce serait notamment le cas pour le suivi des expéditions, la gestion de parcs de conteneurs et le développement et l’amélioration de la chaîne logistique. Il serait alors possible d’avoir une vue d’ensemble de toute la chaîne de valeur en temps réel. Cela permettrait de voir non seulement la disponibilité des produits mais aussi l’état global du matériel. 

Les jumeaux numériques permettent aussi la gestion des actifs physiques d’une entreprise puisqu’il lui est possible d’identifier des risques et de mener des analyses. Celles-ci sont réalisées avec des données de contrôle de la performance. Par exemple, l’entreprise Suez Environnement a mis en place Aquadvanced, un jumeau numérique, qui permet de détecter les fuites d’eau grâce à une modélisation hydraulique et une remontée de données en temps réel[10]

·      Une utilisation «courante» des jumeaux numériques dans la santé

Si les jumeaux numériques sont particulièrement utilisés dans le secteur industriel, on remarque aussi leur développement dans le domaine de la santé. Leur « utilisation » est même « courante » dans la santé selon le chercheur et professeur à Grenoble École de management, Federico PIGNI

·      Le test de traitements

Lors de notre interview, Federico PIGNI nous a expliqué que l’une des utilisations des jumeaux numériques concerne letest « des médicaments sur le modèle numérique ». Ces tests n’auraient donc pas besoin d’être précédés par des essais cliniques sur des patients réels. Les expérimentations seraient alors fondées pour les « ¾ sur le niveau d’interactions simulées en laboratoire virtuel avec la technologie ».  

Le développement des tests numériques représente aussi un « enjeu » actuel selon le chercheur Federico PIGNI. En effet, on voit l’utilité qu’auraient ces tests s’ils étaient opérationnels. Qui sait, si nous ne pourrions pas trouver plus vite un vaccin contre le Covid-19. Il est important de rappeler que trouver un vaccin prend du temps. Lors d’une interview, Frédéric TANGY, responsable du laboratoire d’innovation vaccinale de l’institut Pasteur, nous explique que « la création d’un vaccin à partir de 0 jusqu’à la mise sur le marché » prend « en moyenne (…) une dizaine d’années »[11]

·      Orthopédie, orthodontie et jumeaux numériques

Depuis quelques années, des entreprises françaises telles qu’Anatoscope développent des simulations de prothèses. Anatoscope est une start-up montpelliéraine, fondée en 2015 par François FAURE, professeur en informatique. Cette start-up a été récompensée en 2016 du prix de l’innovation par la Société Française de Radiologie et du prix Futurapolis-Le Point[12]. Dans cette entreprise, les jumeaux numériques aident à la conception de prothèses sur-mesure. Selon les explications de François FAURE : « cela passe par l’élaboration de maquettes 3D du patient grâce à de l’imagerie médicale ou par de la simulation de traitements »[13]. Cela permet donc de « prévoir les effets biomécaniques » de la « pose d’une prothèse personnalisée » comme l’explique Frédérick VAN MEER, le co-fondateur et le directeur général d’Anatoscope [14].

Ainsi, selon le chercheur Federico PIGNI, ces modélisations ont le gros avantage de personnaliser la prothèse. Ces simulations présentent aussi peu de risque en termes de prototypage car on peut faire « suffisamment confiance au modèle ».

·      L’exemple de Dassault et son projet « Living Heart »

En termes de modélisation, Dassault Systèmes, est allé encore plus loin que la simulation de prothèses. Depuis 2014, l’entreprise développe le « Living Heart Project » en collaboration avec des représentants de la FDA (Food and Drug Administration) et des industriels de santé, des chercheurs et des médecins. Ce projet a pour but de modéliser le cœur en 3D. Pour développer ce modèle, Dassault Systèmes s’est appuyé sur les applications SIMULIA et sur des recherches concernant la médecine cardiaque et la simulation. L’éditeur de logiciels s’est aussi fondé sur des techniques telles que l’échocardiogramme et l’IRM[15]. Cette technologie permettra bientôt une meilleure compréhension du comportement du cœur. Elle aura aussi l’avantage d’éviter de multiplier des procédures supplémentaires de diagnostic.

Le docteur James PERRY, professeur en pédiatrie et directeur de service à l’Hôpital pour enfants Rady à San Diego loue les bienfaits de cette technologie en 2014. Il déclare qu’elle « marque un progrès énorme qui permettra d’accélérer la traduction de notre connaissance scientifique élémentaire des fonctions cardiaques en applications pratiques qui contribueront à l’amélioration de la santé et de la sécurité » [16]. Cette modélisation pourrait donc identifier les risques éventuels de maladies cardiaques. Elle permettrait aussi aux chirurgiens de s’entraîner avant une opération[17]

En 2017, Dassault Systèmes annonce la démocratisation de son outil par son accès gratuit sur le Cloud.[18] L’éditeur de logiciels déclare aussi le 6 février 2020 sa volonté de créer un jumeau numérique du corps humain[19]

·      Un cas déjà réel de l’utilisation des jumeaux numériques en chirurgie

Un des exemples concrets de l’utilisation des jumeaux numériques dans le domaine chirurgical est celui de la start-up Visible Patient. Cette dernière a été fondée en 2013 par l’informaticien Luc SOLER. Ce dernier part du constat que de trop nombreuses erreurs graves sont commises en bloc opératoire. Il impulse donc la création de jumeaux numériques des patients. Cette création s’appuie sur la modélisation virtuelle des organes des patients à l’aide d’IRM ou de scanners. Les clones numériques permettent ensuite aux chirurgiens de s’entraîner avant l’opération. 

·      3000 patients soignés et 24 hôpitaux partenaires

La start-up a visiblement déjà fait ses preuves puisqu’elle est en partenariat avec 24 hôpitaux français et 3000 patients ont déjà été soignés ! Luc SOLER explique aussi que leur technologie a l’avantage de réduire les dépenses hospitalières. En effet, les modélisations « permettent de réagir plus rapidement et avec plus de précision plutôt que de laisser traîner des traitements sur le long terme qui épuisent le malade »[20].

·      Des inconvénients non négligeables

Cependant, cette technologie présente aussi un certain nombre d’inconvénients et de limites. Comme nous l’avons évoqué, il s’agit d’une technologie coûteuse en termes de mise en place et de maintenance. Ainsi, le professeur Federico PIGNI nous explique que les entreprises sont face à un dilemme entre coûts et rentabilité. La question essentielle à se poser est donc de savoir si la rentabilité retirée grâce au jumeau numérique est supérieure à ses coûts. 

·      Le problème des données

Un des risques liés aux jumeaux numériques est celui de l’utilisation des données. En effet, tout l’enjeu est de récupérer les bonnes données et surtout de bien les exploiter. Le docteur Michael GRIEVES insistait déjà sur ce point-là : toute cette technologie repose sur l’exploitation de données fiables et représentatives. De plus, selon le professeur Federico PIGNI, le « challenge » de cette technologie est d’« avoir des modèles suffisamment bons par rapport au problème identifié ». Il nous a ainsi expliqué que dans le domaine médical, le « modèle physiologique doit être le bon ».  Sinon, cela risque d’entraîner des répercussions irréversibles. 

Le même problème se pose dans l’industrie : des données incomplètes ou mal utilisées peuvent avoir des conséquences désastreuses. Un exemple très concret de cette problématique nous a malheureusement été donné avec les crashs de deux Boeing 737 MAX. Il apparaîtrait en effet que des jumeaux numériques aient été utilisés lors de la construction afin d’apporter des modifications à ces avions. Ce serait donc à cause d’un décalage entre les données utilisées lors des simulations et les données réelles qu’auraient eu lieu ces accidents [21].

On observe ainsi que les risques liés à une utilisation imparfaite peuvent se chiffrer en millions d’euros. Le cabinet d’études Canaccord Genuity estime les frais engendrés par ces incidents à environ 500 millions de dollars. Ces crashs ont aussi eu des conséquences en termes d’image pour le groupe.

·      Un enjeu éthique et législatif ?

Cette technologie pose aussi le problème de la sécurisation des données car celles utilisées par les jumeaux numériques sont confidentielles. Le vol de ces données pourrait donc s’avérer catastrophique pour une entreprise.  D’après une étude demandée à Vanson Bourne82% des entreprises dans le monde ont subis une cyber-attaque en 2019[22]. Si ce risque n’est pas uniquement propre aux jumeaux numériques, il peut être accru par la sensibilité des données utilisées

Afin de pouvoir utiliser ces jumeaux numériques, il faut aussi récolter un nombre considérable d’informations. Ces dernières peuvent être sensibles et doivent évidemment être obtenues légalement. Selon l’article 9 du RGPD, la possibilité de collecter et de traiter ces informations repose sur le consentement préalable de la personne qui transmet ses informations. L’accès à ces données peut aussi dépendre de la nécessité de sauvegarde des intérêts vitaux de la personne concernée[23].

Les enjeux que soulèvent les jumeaux numériques sont donc ceux de la sécurisation, de l’anonymisation et de la confidentialité des données[24]. Le chercheur Federico PIGNI nous explique qu’avec cette technologie l’éthique est un terrain « glissant ». Il souligne à juste titre que la vision de l’éthique ainsi que les législations[25] varient selon les pays. Le cadre juridique comme les jumeaux numériques sont donc amenés à évoluer dans les années futures. 

Si nous devons bien retenir un enseignement de notre entretien avec Federico PIGNI c’est celui-ci : « les jumeaux numériques ne sont qu’une technologie ». Nous ne pouvons donc porter sur eux de jugement moral puisqu’ils sont de simples outils. N’oublions pas, comme le dit un certain proverbe que l’« enfer est pavé de bonnes intentions ». Ainsi, il revient aux États, aux entreprises et plus globalement aux individus qui utilisent et qui utiliseront cette technologie de l’utiliser au mieux afin que leur usage soit profitable et non préjudiciable

Joris Carlo, Ridwane Seddiki, Thomas Hassici, Victoria Veopaseuth, Paul Margaron, Clémence Yobouet


[1] DHL trend report: implementation of digital twins to significantly improve logistics operations, communiqué de presse, DHL, juin 2016, https://www.dhl.com/global-en/home/press/press-archive/2019/dhl-trend-report-implementation-of-digital-twins-to-significantly-improve-logistics-operations.html

[2] Digital Twins: des clones virtuels au service du réel, article web, ICT Journal, Yannick Chavanne et Éric Cazzoli, juillet 2019, https://www.ictjournal.ch/articles/2019-07-10/digital-twins-des-clones-virtuels-au-service-du-reel

[3] Présentation de recherches sur le Product Lifecycle Management avec la slide « Conceptual Ideal for PLM », cours à l’Université de Michigan, Michael Grieves, 2002 

[4] Mirror Worlds or The Day Software Puts the Universe in a Shoebox… How it Will Happen and What it Will Mean, ouvrage, David Gelernter, 1993 

[5] Top 10 Strategic Technology Trends for 2018: Digital Twins, article de recherche, Gartner, 2018, https://www.gartner.com/en/documents/3867164/top-10-strategic-technology-trends-for-2018-digital-twin0

[6]Industry 4.0 and the digital twin, article web, Deloitte, Aaron Parrott et Lane Warshaw, mai 2017,  https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/industry-4-0/digital-twin-technology-smart-factory.html

[7]Gartner Survey Reveals Digital Twins Are Entering Mainstream Use, communiqué de presse, Gartner, février 2019, https://www.gartner.com/en/newsroom/press-releases/2019-02-20-gartner-survey-reveals-digital-twins-are-entering-mai

[8] Des prototypes aux rayons : l’impact du digital sur la chaîne de production, entretien avec Cristina Monnoyeur directrice de la transformation digitale aux opérations chez L’Oréal, L’Oréal, juillet 2019, https://www.loreal.fr/media/news/2019/july/comment-la-transformation-digitale-aide-loreal-a-faire-des-merveilles

[9]Dhl trend report : implementation of digital twins to significantly improve logistics operations, communiqué de presse, DHL, juin 2016, https://www.dhl.com/global-en/home/press/press-archive/2019/dhl-trend-report-implementation-of-digital-twins-to-significantly-improve-logistics-operations.html

[10] AQUADVANCED® pour l’eau potable, site internet, Suez, https://www.suez.com/fr/notre-offre/collectivites-locales/quel-est-votre-besoin/gestion-de-l-eau/solutions-specifiques/centres-de-pilotage-intelligent/applications-smart-pour-une-gestion-durable-des-systemes

[11] Covid-19 : comment fabrique-t-on le vaccin ?, interview, Brut, Benoît Le Corre, mai 2020, https://www.brut.media/fr/news/covid-19-comment-fabrique-t-on-le-vaccin–8b2cd388-688e-41b4-9f03-f345a6a1f16e

[12] Anatoscope aide à la conception de prothèses 3D, article web, Alliancy, Célia Garcia-Montero, août 2017, https://www.alliancy.fr/startup-et-levees-de-fonds/50-ans-inria/2017/08/17/50-ans-inria-9-anatoscope-aide-a-la-conception-de-protheses-3d

[13] Anatoscope aide à la conception de prothèses 3D, article web, Alliancy, Célia Garcia-Montero, août 2017, https://www.alliancy.fr/startup-et-levees-de-fonds/50-ans-inria/2017/08/17/50-ans-inria-9-anatoscope-aide-a-la-conception-de-protheses-3d

[14] Anatoscope rend les prothèses imprimables en 3D, article web, Entreprendre à Montpellier, référence sans auteur, mai 2018, https://www.entreprendre-montpellier.com/fr/anatoscope-rend-les-protheses-imprimables-en-3d

[15] Dassault Systèmes dévoile une simulation en 3D du cœur qui révolutionne l’étude des maladies cardiaques et les traitements personnalisés, communiqué de presse, Dassault Systèmes, mai 2014, https://www.3ds.com/fr/communiques-de-presse/detail-des-communiques-de-presse/dassault-systemes-devoile-une-simulation-en-3d-du-coeur-qui-revolutionne-letude-des-maladies/

[16]Dassault Systèmes dévoile une simulation en 3D du cœur qui révolutionne l’étude des maladies cardiaques et les traitements personnalisés, communiqué de presse, Dassault Systèmes, mai 2014, https://www.3ds.com/fr/communiques-de-presse/detail-des-communiques-de-presse/dassault-systemes-devoile-une-simulation-en-3d-du-coeur-qui-revolutionne-letude-des-maladies/

[17]Dassault Systèmes met ses technologies 3D au service de la cardiologie, Le monde informatique, Jean Elyan, mai 2014, https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-dassault-systemes-met-ses-technologies-3d-au-service-de-la-cardiologie-57542.html

[18]Comment Dassault Systèmes progresse dans la modélisation informatique du cœur, TICpharma, Raphael Moreaux, décembre 2017, https://www.ticpharma.com/story/444/comment-dassault-systemes-progresse-dans-la-modelisation-informatique-du-coeur.html

[19]Dassault Systèmes veut créer un jumeau numérique du corps humain, ICT journal, Yannick Chavanne, février 2020,https://www.ictjournal.ch/news/2020-02-10/dassault-systemes-veut-creer-un-jumeau-numerique-du-corps-humain

[20]La start-up Visible Patient modélise en 3D les organes à opérer, L’Express, Bodgan Bodnar, juin 2019, https://lexpansion.lexpress.fr/actualite-economique/la-start-up-visible-patient-modelise-en-3d-les-organes-a-operer_2083389.html

[21] Crash du Boeing de Lion Air : des défauts de conception et de certification en cause, article web, Le Point international, AFP, octobre 2019, https://www.lepoint.fr/monde/crash-du-boeing-de-lion-air-des-defauts-de-conception-et-de-certification-en-cause-25-10-2019-2343490_24.php

Boeing 737 MAX : les enquêteurs indonésiens mettent en cause le MCAS dans le crash de Lion Air, article web, Air Journal, Serge Fabi, octobre 2019, https://www.air-journal.fr/2019-10-26-boeing-737-max-les-enqueteurs-indonesiens-mettent-en-cause-le-mcas-dans-le-crash-de-lion-air-5215840.html

The inside story of MCAS: How Boeing’s 737 MAX system gained power and lost safeguards, article web, The Seattle Times, Dominic Gates et Mike Baker, juin 2019, https://www.seattletimes.com/seattle-news/times-watchdog/the-inside-story-of-mcas-how-boeings-737-max-system-gained-power-and-lost-safeguards/

[22]  Cyber Attacks and Disruptive Events Are on the Rise, Affecting 82% of Organizations Surveyed, communiqué de presse, Dell Technologies, mars 2020, https://corporate.delltechnologies.com/en-us/newsroom/announcements/detailpage.press-releases~usa~2020~03~20200309-dell-technologies-survey-cyber-attacks.htm#/filter-on/Country:en-us

[23] Rectificatif au règlement (UE) 2016/679 du Parlement européen et du Conseil du 27 avril 2016 relatif à la protection des personnes physiques à l’égard du traitement des données à caractère personnel et à la libre circulation de ces données, et abrogeant la directive 95/46/CE (règlement général sur la protection des données), journal officiel de l’Union européenne, Union européenne, mai 2016, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/HTML/?uri=CELEX:32016R0679R(02)&qid=1528814703534&from=en 

[24] Jumeaux numériques en santé, mirage ou réalité. ?, I’MTech, Sarah Balfagon, janvier 2019, https://blogrecherche.wp.imt.fr/2019/01/28/jumeaux-numeriques-sante/

Jumeau numérique : quel impact dans le monde de la santé?, Techtomed, Rémy Teston, septembre 2019, https://techtomed.com/jumeau-numerique-quel-impact-dans-le-monde-de-la-sante/

[25] Un jumeau numérique pour apprendre, article web, vté vitrine technologie éducation, Pierre-Julien Guay, mai 2019, https://www.vteducation.org/fr/articles/innovation/un-jumeau-numerique-pour-apprendre

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