Digitale Tweeling: een data-gedreven controleapparaat

In dit essay zal ik allereerst betogen dat onder de verschillende conceptualisaties van Digitale Tweelingen (latent) principes ten grondslag liggen die tezamen kenmerkend zijn voor een gedachtegoed dat niet nieuw is: de cybernetica. In dit licht bezien zijn Digitale Tweelingen controlesystemen. De materialisatie van de cybernetische controleprincipes in de vorm van een Digitale Tweeling zijn echter wel nieuw. Deze materialisatie belichaamt bepaalde waardeoordelen en kan tot ontwrichtingen van onze leefwereld leiden, zeker als we het latent ideologisch gedachtegoed dat aan het fundament van de Digitale Tweeling ten grondslag ligt onvoldoende erkennen.

Het idee voor de Digitale Tweelingen komt uit de hoek van productontwikkeling en onderhoud. Zo suggereerden in 2012 de ingenieurs Glaessgen en Stargel, die vaak worden aangehaald als de grondleggers van Digitale Tweelingen, om ‘een geïntegreerde multi-fysische, multi-schalige, probabilistische simulatie’ van individuele vliegtuigen te maken die ‘ultrarealistisch’ is (2012). Met deze digitale één-op-één realtime representaties zou het mogelijk worden om de staat van de vliegtuigen continu te monitoren zodat onderhoud efficiënt kan worden ingepland en eventuele schade in een vroeg stadium opgespoord en gerepareerd kan worden.

Hoewel er geen uniforme definitie is van de ‘Digitale Tweeling’, wordt deze doorgaans geconceptualiseerd als een realtime en zeer nauwkeurige en alomvattende digitale representatie van een bepaalde reële fysieke entiteit zoals die in de loop van de tijd en onder uiteenlopende omstandigheden verandert (Liu et al. 2021). Het idee hierbij is dat de Digitale Tweeling waarheidsgetrouw moet zijn én blijven aan de oorspronkelijke fysieke entiteit, en deze zo objectief en volledig mogelijk representeert. Dit representeren doet de Digitale Tweeling in de vorm van een conglomeraat van data en modellen. Om mee te veranderen met het origineel is de Digitale Tweeling afhankelijk van een continue toevoer van actuele data. Denk bij zo’n toevoer bijvoorbeeld aan sensoren die continu de waterstand in een bepaald gebied aangeven, of het stikstofgehalte in de grond.

Maar met het bovenstaande zijn we er nog niet. Hoewel de beschrijvingen met woorden als ‘kopie’ en ‘representatie’ een bepaalde volgzaamheid suggereren van de Digitale Tweeling ten aanzien van het origineel, is een dergelijke passieve rol van de Digitale Tweeling schijn. Het doel van Digitale Tweelingen is niet het beschrijven, maar het monitoren van de fysieke tweeling, het voorspellen hoe deze zal veranderen en het voorschrijven van hoe te interveniëren om bepaalde resultaten te bereiken. In sommige gevallen is het zelfs de bedoeling dat de Digitale Tweeling zelf automatisch ingrijpt in het origineel om het zo te optimaliseren richting bepaalde doeleinden.

Hiermee onderscheidt de Digitale Tweeling zich van ‘reguliere’ modellen en simulaties: op fundamenteel niveau is een Digitale Tweeling een systeem gekoppeld aan de fysieke tweeling, bedoeld om deze actief naar bepaalde doelen te sturen. De kern van deze sturing wordt gevormd door de feedback van informatie in een zich steeds herhalende cyclus. Een Digitale Tweeling wordt continu geüpdatet met informatie van de fysieke tweeling, terwijl in de fysieke tweeling steeds wordt ingegrepen op basis van de informatie van de Digitale Tweeling. Neem bijvoorbeeld een Digitale Tweeling van een tomatenplant. Sensordata van de echte plant worden in het model van de Digitale Tweeling gestopt, vervolgens berekent het model dat de plant voor optimale groei meer mest nodig heeft, en wordt de plant bemest. Hoe de plant vervolgens op deze mest reageert (wel of niet groeien), vormt dan weer de nieuwe input voor de Digitale Tweeling, enzovoorts.

Met deze werkwijze en achterliggende principes vertoont de Digitale Tweeling sterke overeenkomsten met het gedachtegoed van de cybernetica. Cybernetica is een interdisciplinaire stroming die zich bezighoudt met het onderzoeken van controle in complexe biologische, sociale en artificiële systemen. De kerngedachte hierbij is dat dergelijke controle geschiedt door middel van sturing geboden door continue feedback loops van informatie. De stroming stamt uit de jaren veertig en is ontstaan uit een interdisciplinair samenwerkingsverband van verschillende wetenschappers zoals Norbert Wiener en Margaret Mead. Het doel was om te onderzoeken hoe controle en de organisatie hiervan werkt in complexe systemen (Beer 2002). Als voorbeelden van dergelijke systemen werden onder andere levende organismen, economische markten, de hersenen en ecosystemen genoemd. Dergelijke complexe systemen en entiteiten zouden in staat zijn zichzelf in stand te houden en tevens aan te passen aan veranderingen door middel van informatie en feedback. In deze systemen wordt controle uitgeoefend door middel van een zich steeds herhalende cyclus waarin de output in elke fase wordt gebruikt als input in de volgende fase: het systeem vergelijkt zijn huidige toestand met een vooraf ingesteld doel, en onderneemt actie op basis van de input om dat doel te bereiken. Snelheid is hierbij belangrijk: de metingen en daaropvolgende respons zijn idealiter realtime (Beer 2002). Vanwege de sturende werking van de informatie en feedbackcyclus, heeft Wiener deze stroming vernoemd naar het Griekse kubernetes (κυβερνήτης), dat ‘stuurman’ betekent (1965).

De principes van de cybernetica zien we dus sterk terugkomen in de ideeën die ten grondslag liggen aan Digitale Tweelingen. Ze door deze lens bekijken onderstreept meteen hun problematiek: Digitale Tweelingen zijn niet slechts representaties, maar controlesystemen. Het gaat hierbij om een interdisciplinaire en veelomvattende dynamische informatieanalyse, die in een cyclus van feedback een fysieke entiteit richting bepaalde doelen helpt te sturen. Zodoende weerspiegelt de Digitale Tweeling niet alleen het origineel, maar wordt het origineel tegelijkertijd aangepast om zich te spiegelen aan wat de Digitale Tweeling voorschrijft. In zekere zin is de Digitale Tweeling zelf hiermee het origineel van de toekomstige ‘geoptimaliseerde’ versie van de fysieke tweeling. Door zich om en om aan elkaar te spiegelen, trekken de Digitale Tweeling en de fysieke tweeling naar elkaar toe in een zich steeds herhalende beweging van input en output, vergelijking en aanpassing. Tekenend hierin is dat het uiteindelijk de Digitale Tweeling is die het meeste gewicht heeft voor het pad dat gevolgd wordt: op basis van zijn voorspellingen en voorschriften wordt ingegrepen in het origineel zodat het de Digitale Tweeling volgt.

Indien men ervan uitgaat dat een Digitale Tweeling slechts een representatie is, dan zou men kunnen zeggen dat deze iets heeft van een self-fulfilling prophecy. Echter, bekeken tegen de achtergrond van de cybernetica kunnen we stellen dat een dergelijke self-fulfilling prophecy geen bijkomstigheid is van een Digitale Tweeling, maar het doel. De Digitale Tweeling is zodoende een middel om controle uit te oefenen over de fysieke tweeling.

Terwijl de denkwijze die ten grondslag ligt aan Digitale Tweelingen niet nieuw is, is de uitvoering in de vorm van een Digitale Tweeling dat wel. Digitale Tweelingen maken gebruik van geavanceerde hedendaagse technologieën die in de jaren veertig nog niet (of in ieder geval nog niet in de hightech variant van nu) beschikbaar waren. Denk hierbij aan kunstmatige intelligentie (zoals machine learning), big data, nieuwe sensor apparatuur, dataverzameling mogelijk gemaakt door ‘het internet van dingen’ (the internet of things) en niet te vergeten onze ‘digitale voetafdruk’ op het wereldwijde web.

Een kritiek punt van aandacht omtrent de uitvoering van abstracte principes in technische systemen ontleen ik aan de techniekfilosoof Feenberg (1999). Een principe als ‘efficiëntie’ is formeel gedefinieerd als een bepaalde ratio van input en output. Het lijkt hiermee een sociaal neutraal principe dat in allerlei contexten toegepast kan worden. Dit werkt echter alleen op abstract niveau. Zodra het principe van efficiëntie in een concrete context, zoals in de simulaties geboden door een Digitale Tweeling, toegepast moet worden staat het bol van waardeoordelen en sociale machtswerkingen: ‘men moet beslissen wat voor dingen functioneren als input en output, wie deze kan aanbieden en bemachtigen en op welke voorwaarden, wat wordt verstaan onder ongemakken, afval, risico’s, etc.’ (Feenberg 1999: 160). Het gevolg van dergelijke keuzes is dat bepaalde waardeoordelen in het technisch ontwerp gematerialiseerd worden. Feenberg stelt daarom: ‘technische apparaten zijn bevooroordeeld en belichamen specifieke waardeoordelen’ (Feenberg 1999: 174). De uitvoering van de cybernetische controleprincipes in het hedendaagse technologische jasje van de Digitale Tweeling geeft zodoende noodzakelijkerwijs een sociaal geladen invulling aan de controle over de fysieke tweeling. Dit roept de vraag op hoe de Digitale Tweeling invulling geeft aan controle en welke implicaties dit heeft.

De concrete invulling van de controle verschilt per Digitale Tweeling. Toch kunnen we op een algemener niveau wel al het een en ander zeggen over deze invulling en de implicaties daarvan. Wat Digitale Tweelingen gemeen hebben is dat de locus van de controle gevormd wordt door een data-gedreven representatie. Op basis van wat de representatie voorschrijft wordt ingegrepen in de fysieke tweeling.

Data spelen hier een cruciale rol omdat ze de bouwstenen zijn waaruit de representatie wordt opgebouwd door modelleringsalgoritmen. Aan de basis van de ontwikkeling van een Digitale Tweeling ligt daarom een proces van ‘dataficatie’: de werkelijkheid moet ‘in een gekwantificeerde vorm worden gegoten, zodat deze in tabellen geplaatst kan worden en geanalyseerd’ (Mayer-Schönberger en Cukier 2013: 78). Hoewel data vaak worden omschreven in metaforen die ze aankleden als natuurlijke hulpbronnen (‘data mining’), zijn het geen natuurlijke of neutrale fenomenen (Ossewaarde 2019). De fysieke wereld ontsluit zichzelf namelijk niet in kwantitatieve eenheden: deze moeten gemeten en vastgelegd worden. Data zijn zodoende producten van menselijke keuzes in interactie met technologie. Een Digitale Tweeling vereist daarom het maken van een vertaalslag: het fysieke origineel moet vertaald worden naar concrete dataverzamelingen. Hier liggen tal van interpretaties en keuzes aan ten grondslag. Men moet bijvoorbeeld bedenken wat het fysieke origineel is en wat hier wel en niet bij hoort (hoort bijvoorbeeld de luchtkwaliteit thuis in een Digitale Tweeling van het menselijk lichaam?). Vervolgens moet men beslissen wat voor datasets dit gaan representeren, welke software en hardware ingezet gaan worden, hoe vaak data verzameld worden, etc. Dergelijke beslissingen worden op hun beurt beïnvloed door aanwezige technologie en de beschikbaarheid van tijd en geld. Wat niet wordt gemeten of toegevoegd, zit niet in de Digitale Tweeling.

Bij de ontwikkeling van Digitale Tweelingen lijkt het beeld van de fysieke tweeling hoofdzakelijk gevormd door naturalistisch perspectief op het origineel: de werkelijkheid wordt begrepen vanuit de levens- en natuurwetenschappen en benaderd door empirische observatie en de toepassing van natuurwetten. Echter, er kruipen ook waardeoordelen in het ontwerp: zowel de keuze voor een bepaalde fysieke entiteit, als de gekozen data en parameters, suggereren dat er iets beter moet. Om de fysieke tweeling te kunnen verbeteren, is het noodzakelijk dat de Digitale Tweeling die elementen weergeeft die idealiter beter zouden moeten. De materialisatie van de data- en modellencollectie rust hiermee op een — mogelijk verborgen — ideaalbeeld van wat een ‘goede’ fysieke tweeling is en welke waarden hierbij centraal staan. Dit ideaalbeeld wordt gevormd door de sociale context en vraagstukken waar de ontwikkelaars van een Digitale Tweeling zich mee bezighouden en het beïnvloedt de manier waarop zij problemen en oplossingen formuleren in het technische ontwerp (Feenberg 1999). Op deze wijze wordt een ideologisch kader in de technologie gecodificeerd. Het resultaat is dat in de bouw van een Digitale Tweeling principes als alomvattendheid, realisme en optimalisatie in een beperkte, specifieke en normatief geladen vorm worden gereïficeerd. Een Digitale Tweeling stuurt zijn origineel zodoende vanuit een bepaald gematerialiseerd perspectief.

De Digitale Tweeling als controlesysteem op basis van een data-gedreven representatie roept drie vragen op over de uitvoering ervan, die machtsverhoudingen verschillende kanten op kan leiden. De kern van deze vragen is: wie beslist?

De eerste vraag is wiens ideaalbeeld van de fysieke entiteit ten grondslag ligt aan het ontwerp van de Digitale Tweeling. Op meer detailniveau is de vraag welke data gebruikt worden en welke parameters worden meegenomen en wie dit bepaalt. Deze keuzes geven vorm aan de controle die de Digitale Tweeling realiseert en daarmee zijn maatschappelijke impact. Gaan wij bijvoorbeeld beleid vormen op basis van een Digitale Tweeling van de Aarde, en neemt die factoren als bevolkingsdichtheid of economische draagkracht mee in zijn analyses, of juist niet?

De tweede vraag is wie de Digitale Tweeling mag gebruiken of inzien. Als data-gedreven controlesysteem heeft dit vergaande gevolgen, zelfs als het doel van de Digitale Tweeling op zichzelf maatschappelijk gezien nastrevenswaardig lijkt. Neem het voorbeeld van een gepersonifieerde Digitale Tweeling van het menselijk lichaam, die dient ter bevordering van de gezondheid. Of deze Digitale Tweeling gebruikt wordt door patiënten om hun medicijninname te optimaliseren of door verzekeringen om risico’s en premies te berekenen voor deze mensen, heeft heel verschillende implicaties voor de privacy en autonomie van patiënten. In het ene gebruik kan het de patiënten controle geven over hun gezondheid en daarmee hun autonomie vergroten, terwijl het in het andere gebruik een middel wordt om de lichamen van patiënten via de Digitale Tweeling te controleren.

Met de derde vraag zoom ik een stukje uit: wie beslist welke fysieke entiteit wordt getwinned? Of van iets een Digitale Tweeling bestaat of niet, heeft maatschappelijke implicaties. Denk bijvoorbeeld aan de implementatie van Digitale Tweelingen die de stikstofcyclus van boerderijen in kaart brengen. Op zichzelf kunnen deze Digitale Tweelingen nuttig zijn om de problematiek inzichtelijk te maken en te helpen om de uitstoot binnen een bepaalde boerderij te verminderen. Echter, als dergelijke Digitale Tweelingen alleen voor boerderijen gebouwd worden, maar niet voor de industrie, luchthavens of steden, dan resulteert dit mogelijk in een maatschappelijke disbalans waarbij sommige fysieke entiteiten aan meer controle worden onderworpen dan andere.

‘Digitale Tweeling’ is een ongelukkige naam voor wat het is. De metafoor ‘tweeling’ roept een simplistisch beeld op en suggereert zowel een relatie van overeenkomstigheid (de digitale representatie heeft dezelfde eigenschappen als de fysieke tweeling) als een relatie van gelijkheid (de digitale representatie verhoudt zich tot de fysieke tweeling als een gelijke). Beide aannames kloppen niet, en hierin zitten precies ook de voordelen en de risico’s van Digitale Tweelingen.

Door fundamenteel anders te zijn dan de fysieke tweeling, namelijk een data-gedreven representatie, kan de Digitale Tweeling ons meer informatie geven en gebruikt worden voor voorspellingen en het berekenen van optimalisaties. Echter, deze representatie is door mensen gemaakt en wordt gevormd door keuzes en waardeoordelen. Dit kan een toegevoegde waarde zijn, mits daar op transparante en verantwoordelijke manier mee omgesprongen wordt.

Daarnaast neemt de Digitale Tweeling geen gelijke positie in ten aanzien van de fysieke tweeling, maar een leidende positie. Wederom kan een Digitale Tweeling toegevoegde waarde hebben door de fysieke tweeling in goede banen te leiden op basis van realtime data-gedreven informatieanalyses. Zo lijkt mij meer controle over onze invloed op natuur en klimaat geen overbodige luxe. Als we Digitale Tweelingen echter op een verantwoorde manier willen inzetten, dan is het belangrijk om tijdens het ontwerp en de uitvoering van de technologie stil te staan bij het feit dat het hier om een machtsmiddel gaat. De vragen wie beslist welke parameters worden meegenomen, wie de Digitale Tweeling kan gebruiken, en van welke objecten Digitale Tweelingen worden gemaakt, zijn politiek geladen beslissingen en geven de keuzemaker(s) aanzienlijke macht in handen. Dit geldt zeker in het geval van Digitale Tweelingen die een cruciale rol in beleid en maatschappij gaan spelen en daarmee vergaande invloed op onze wereld zullen hebben, zoals de Digitale Tweeling van de Aarde die door de Europese Commissie wordt ontwikkeld. Het is daarom belangrijk om te kijken hoe hier op adequate wijze democratische besluitvorming toegepast kan worden.

Dit essay is een verdere uitwerking van ideeën uit het artikel Steering Representations — Towards a Critical Understanding of Digital Twins, door Paulan Korenhof, Vincent Blok en Sanneke Kloppenburg, Philosophy of Technology 34, 1751–1773 (2021).

Literatuurlijst
• Beer, S. (2002). What is cybernetics? Kybernetes, 31(2), 209-219.
• Feenberg, A. (1999). Questioning technology. Routledge.
• Glaessgen, E., & Stargel, D. (2012). The digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles. In: 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics and materials conference.
• Heidegger, M. (1954). The question concerning technology. Technology and values: Essential readings, 99: 113.
• Liu, M., Fang, S., Dong, H. & Xu, C. (2021). Review of digital twin about concepts, technologies, and industrial applications. Journal of Manufacturing Systems, 58: 346–361.
• Marcuse, H. (1991). One-dimensional man: Studies in the ideology of advanced industrial society. Routledge.
• Mayer-Schönberger, V., & Cukier, K. (2013). Big data: A revolution that will transform how we live, work, and think. Houghton Mifflin Harcourt.
• Ossewaarde, M. (2019). Digital transformation and the renewal of social theory: Unpacking the new fraudulent myths and misplaced metaphors. Technological Forecasting and Social Change, 146: 24-30.
• Wiener, N. (1965). Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. MIT press.