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.

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”.