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數(shù)字雙胞胎(Digital Twin)，入選Gartner“影響未來的十大技術(shù)”。

所謂“數(shù)字雙胞胎”，就是數(shù)字形式的“雙胞胎”：一個是存在于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體;另一個存在于虛擬世界中，是利用數(shù)字技術(shù)營造的與現(xiàn)實(shí)對稱的鏡像。

如今，數(shù)字雙胞胎已應(yīng)用在飛機(jī)設(shè)計(jì)、汽車制造和建筑維修等多種領(lǐng)域。而在醫(yī)學(xué)上，人們希望在“硅二重身”中實(shí)現(xiàn)。近日，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(EMPA)的研究人員正在開發(fā)一種“數(shù)字雙胞胎”，目的是要讓疼痛患者和糖尿病患者得到最佳治療。

人類的個體差異性非常顯著，從飲食習(xí)慣到電影品味，人人都不一樣。由于年齡、生活方式或基因構(gòu)成不同，個體對某些療法的反應(yīng)也會有明顯差異。因此，醫(yī)學(xué)治療需要非常靈活，也就是如今所倡導(dǎo)的“個性化醫(yī)療”。

這也正是數(shù)字雙胞胎、虛擬二重身的概念發(fā)揮作用之處。虛擬二重身依靠實(shí)時提供的真實(shí)患者的生理數(shù)據(jù)。研究人員解釋道：“使用硅二重身，我們能更精確地對個體患者做出反應(yīng)。”這個醫(yī)學(xué)化身有一天可能會徹底改變醫(yī)學(xué)。

研究人員已開發(fā)出一種數(shù)字皮膚雙胞胎，這個項(xiàng)目由諾華研究基金會和材料科學(xué)與技術(shù)能力中心資助。其目標(biāo)是通過智能纖維和薄膜控制經(jīng)皮給藥，如止痛藥和胰島素，同時以傳感器監(jiān)測患者的生命體征?；谶@些數(shù)據(jù)，數(shù)字雙胞胎可以預(yù)測個體劑量并監(jiān)測治療成果。根據(jù)同樣的原理，下一步，二重身可能被用來檢查傷口的愈合過程?？紤]到這一點(diǎn)，研究人員已設(shè)計(jì)出一種集成傳感器的智能繃帶。

研究團(tuán)隊(duì)正致力于融合兩個創(chuàng)新研究領(lǐng)域來開發(fā)數(shù)字雙胞胎：使用透皮繃帶進(jìn)行經(jīng)皮非侵入性藥物管理，以及使用實(shí)時模型控制和預(yù)測治療過程。皮膚作為最大的器官，為特定大小的藥物分子進(jìn)入人體提供了一個作用面積大的、理想的通道。然而，傳統(tǒng)治療所用的膏藥劑量實(shí)際上難以控制的，因?yàn)榧词垢嗨幵缇捅唤业?，一些活性物質(zhì)仍可以從皮膚層釋放進(jìn)入體內(nèi)。目前的系統(tǒng)通過測量患者血液中的藥物濃度來提供反饋，但只能確定藥物的劑量是過高還是過低，仍無法做到對藥物實(shí)際需求劑量的精準(zhǔn)預(yù)測。

相比之下，一個由附著在皮膚上的非侵入式傳感系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的數(shù)字雙胞胎，能實(shí)現(xiàn)藥物活性的精準(zhǔn)和個性化劑量。數(shù)字二重身的計(jì)算機(jī)模型也將患者的皮膚特征納入考量范圍。畢竟，活性物質(zhì)的吸收，會因膏藥所貼部位的不同或所貼對象的不同而呈現(xiàn)差異。比如

給曬得黝黑的運(yùn)動員貼、給皮膚蒼白的老太太貼，或者給皮膚柔軟的新生兒貼，藥物的吸收都是不一樣的。

這個由智能膏藥和實(shí)時監(jiān)測模型組成的新系統(tǒng)，是向一個充滿前景的全新領(lǐng)域邁出的關(guān)鍵一步。經(jīng)皮藥物管理的個性化數(shù)字雙胞胎，讓我們離人類化身更近了一步。

接下來，研究人員將為經(jīng)皮治療化身編寫一個復(fù)雜的多物理場仿真皮膚模型(Multiphysical Skin Model)，該模型由皮膚上的傳感器提供數(shù)據(jù)。人體的生物物理雙胞胎，將用于輔助傳感器開發(fā)?；诟采w人體模型的傳感器提供的信息，可測算真實(shí)患者的生理值和反應(yīng)，比如皮膚溫度或排汗率的變化。Empa已建立了人體模型和一個互聯(lián)的計(jì)算機(jī)模型系統(tǒng)來模擬人類的生理反應(yīng)。該系統(tǒng)將被用于建立由大量的變量控制的、更為復(fù)雜的數(shù)字雙胞胎。

“虛擬雙胞胎不僅必須對變化做出快速反應(yīng)，還要能安全、個性化地預(yù)測藥物劑量。”研究者說。