Gemelli digitali delle città: poco utili se mancano di complessità

Sistemi reali come le nostre città possono avere una loro versione digitale. Si chiamano ‘gemelli digitali’ o "digital twins" e sono oggi realtà grazie allo sviluppo nei campi dei sensori e dell’intelligenza artificiale. Ma come trasformare questi ‘sosia’ da mere repliche digitali a strumenti affidabili per comprendere il mondo e prevedere comportamenti? Quello che ancora manca è abbinare questi sistemi alla scienza delle complessità, per permettere che lo sviluppo delle città sia effettivamente a misura di persona. Lo sostiene un gruppo di scienziati rappresentato da Guido Caldarelli, fisico all’Università Ca’ Foscari Venezia, in un articolo di ‘prospettiva’ sul tema pubblicato da Nature Computational Science [ENG].

Cosa sono i gemelli digitali?

Con le moderne reti di sensori, spesso chiamate “Internet delle Cose” o “Internet del Tutto”, intere applicazioni basate sui dati sono diventate disponibili, tra di loro gemelli digitali. Questi sono dettagliatissimi sosia di sistemi reali, siano essi corpi umani, città, o il mondo intero. In certi casi, questi gemelli digitali sono creati alimentando delle “scatole nere”, rappresentazioni degli elementi del rispettivo sistema d’interesse. Questo permette loro di imparare a comportarsi in una maniera sempre più simile agli elementi corrispondenti del mondo reale. I gemelli digitali possono così essere usati per studiare scenari alternativi e per controllare il sistema reale, basato sull’intelligenza artificiale.

Tuttavia, “sosia” non significa necessariamente che i gemelli digitali si comportino realisticamente. Né esiste alcun vantaggio nel creare una copia perfetta di un sistema senza aver capito né il sistema né la sua simulazione.

Questo non è soltanto un problema di grandi modelli di linguaggio come ChatGPT o GPT-4 che hanno grande abilità nell’apprendimento automatico, ma poca capacità deduttiva. È anche un potenziale problema per i gemelli digitali di città, come suggerisce l’articolo.

Come tener conto di aspetti non misurabili?

Al di là di un certo numero di problematiche legate ai big data e al machine learning, i gemelli digitali “locali” spesso semplificano eccessivamente aspetti come la vita sociale e culturale, e qualsiasi cosa che non sia rappresentata dai dati. Questo include tutto ciò che non è misurabile, come le amicizie, l’amore, e la qualità della vita - cose che sono terribilmente importanti per gli umani, mentre per i modelli informatici, l’intelligenza artificiale e i robot non lo sono.

Perciò Guido Caldarelli e colleghi sottolineano come i gemelli digitali necessitino di essere combinati con la scienza della complessità. Questa, scrivono, è la chiave per la comprensione dei comportamenti globali e non solo una mera ripetizione dentro il calcolatore. La scienza dei sistemi complessi studia sistemi dinamici che sono fatti di molti elementi, e che tipicamente interagiscono tra di loro o con altri sistemi in una maniera non-lineare. Tali sistemi prendono spesso la forma di una rete e possono essere stratificati più volte, formando reti di reti.

Prendere in considerazione le interazioni è essenziale per comprendere la natura dei sistemi complessi, che non possono essere compresi solo dalla proprietà delle loro singole parti. Interazioni non lineari e di network spesso saranno la causa di emergenti proprietà di sistema. Si può anche parlare di auto-organizzazione dal basso verso l’alto.

Le città sono piene di questi fenomeni. Possono spaziare, ad esempio, dalla formazione di linee uniformi di direzioni di cammino sui marciapiedi, a schemi di fermata e ripartenza dei flussi di traffico, o schemi di segregazione tra le persone con differenti contesti culturali, come il Premio Nobel Thomas Schelling ha mostrato.

“Come conseguenza – spiega Guido Caldarelli - i gemelli digitali non hanno solo bisogno di considerare la scienza della complessità per diventare strumenti utili e affidabili. Non è abbastanza neanche pianificare, ottimizzare e controllare le città dall’alto verso il basso. Per creare città per le persone è cruciale prevedere opportunità di auto-organizzazione, partecipazione e co-evoluzione”.

“In altre parole, - conclude - non è sufficiente produrre città in apparenza ottimali, in cui gli umani vivrebbero come in uno zoo sorvegliati costantemente per raccogliere i dati necessari per far funzionare questo sistema. È importante utilizzare i gemelli digitali come uno strumento per testare la nostra comprensione del mondo ed usarli per avere la possibilità di creare tutti insieme il nostro futuro”.