Công nghệ bản sao kỹ thuật số (digital twin) có thể giúp doanh nghiệp tạo ra những sản phẩm tốt hơn, nhanh hơn — và thậm chí còn thay đổi cách thức phát triển sản phẩm.

Tác giả: Roberto Argolini, Federico Bonalumi, Johannes Deichmann và Stefania Pellegrinelli

Khả năng phát triển và ra mắt sản phẩm mới quyết định sự sống còn của doanh nghiệp. Trong 5 năm tới, chúng tôi ước tính khoảng 30 nghìn tỷ USD doanh thu doanh nghiệp sẽ phụ thuộc vào những sản phẩm chưa từng xuất hiện trên thị trường.

Tuy nhiên, việc tạo ra những sản phẩm thành công ngày càng trở nên khó khăn hơn. Để thuyết phục khách hàng mua sắm, các sản phẩm thế hệ mới ngày càng đòi hỏi những cải tiến hiệu suất và tính năng mới, thường phải tích hợp những công nghệ phức tạp và đột phá. Đồng thời, ngày càng nhiều người tiêu dùng kỳ vọng sản phẩm phải bền vững hơn — điều này đặt ra những ràng buộc mới về lựa chọn vật liệu, khả năng sửa chữa và xử lý khi hết vòng đời sử dụng. Trong khi đó, áp lực kiểm soát chi phí R&D vẫn luôn gay gắt như trước.

Trong bối cảnh đó, các doanh nghiệp đang tìm cách nâng cao năng lực phát triển sản phẩm số, coi đây là phương tiện để rút ngắn chu kỳ thiết kế – kỹ thuật, đồng thời giảm chi phí thông qua tối ưu hóa quy trình R&D. Theo một khảo sát, 75% lãnh đạo phát triển sản phẩm cho biết việc số hóa sâu hơn là ưu tiên chiến lược hàng đầu của họ.

Các phương pháp phát triển sản phẩm số cũng đang tiến hóa nhanh chóng, nhờ vào những bước tiến vượt bậc trong năng lực tính toán, phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo (AI). Từ đó, khái niệm bản sao kỹ thuật số đã ra đời: những bản sao kỹ thuật số của sản phẩm hiện tại hoặc tương lai, có khả năng mô phỏng đầy đủ các đặc tính của phiên bản vật lý tương ứng.

Việc tương tác hoặc chỉnh sửa sản phẩm trong không gian ảo thường nhanh hơn, dễ dàng hơn và an toàn hơn so với thao tác trên thực tế.

Các lãnh đạo phát triển sản phẩm kỳ vọng bản sao kỹ thuật số sẽ tăng tốc quy trình phát triển, cải thiện kết quả đầu ra và giảm chi phí. Họ đang đổ xô đầu tư vào công nghệ này, với thị trường toàn cầu dự kiến tăng trưởng khoảng 60% mỗi năm trong 5 năm tới, đạt 73,5 tỷ USD vào năm 2027.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ phân tích cách các doanh nghiệp đang ứng dụng bản sao kỹ thuật số, xác định những yếu tố then chốt để triển khai thành công chiến lược bản sao kỹ thuật số, và dự báo xu hướng phát triển trong tương lai của công nghệ mang tính đột phá này.

Bản sao kỹ thuật số được định nghĩa như thế nào?

Bản sao kỹ thuật số là bản sao ảo mô phỏng hành vi của một hệ thống trong môi trường vận hành thực tế. Hệ thống này có thể là một sản phẩm, một quy trình sản xuất, thậm chí là toàn bộ chuỗi cung ứng, và được biểu diễn bằng tập hợp các mô hình số. Những mô hình này xử lý và phản ứng với nhiều loại “kích thích” — tức dữ liệu đại diện cho môi trường bên ngoài.

Bản sao kỹ thuật số kết hợp nhiều loại mô hình khác nhau và xử lý dữ liệu từ nhiều nguồn, nhờ đó cung cấp hình ảnh chân thực hơn về đối tượng thực tế so với các phương pháp mô phỏng truyền thống.

Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào bản sao kỹ thuật số sản phẩm. Những bản sao này có thể được mô tả theo ba chiều kích chính:

Mức độ tinh vi của mô hình và dữ liệu được sử dụng
Phạm vi vật lý mà bản sao bao quát
Các khâu trong chuỗi giá trị mà bản sao tham gia

Khi doanh nghiệp làm chủ công nghệ bản sao kỹ thuật số, họ sẽ mở rộng dần theo cả ba chiều này — từ đơn giản đến phức tạp. Ví dụ, một bản sao kỹ thuật số ban đầu có thể chỉ mô phỏng một linh kiện quan trọng, rồi sau đó mở rộng ra toàn bộ sản phẩm khi mức độ trưởng thành về công nghệ tăng lên. Tương tự, những bản sao kỹ thuật số đầu tiên thường chỉ được dùng trong giai đoạn kỹ thuật, nhưng về sau có thể mô phỏng cả quá trình sản xuất và sử dụng thực tế.

Thực trạng ứng dụng bản sao kỹ thuật số hiện nay

Trong các ngành công nghiệp tiên tiến, gần 75% doanh nghiệp đã triển khai công nghệ bản sao kỹ thuật số ở mức độ phức tạp trung bình trở lên.

Tuy nhiên, mức độ ứng dụng khác biệt rõ rệt giữa các ngành. Các doanh nghiệp trong lĩnh vực ô tô, hàng không và quốc phòng đang dẫn đầu về ứng dụng bản sao kỹ thuật số, trong khi các ngành như hậu cần, cơ sở hạ tầng và năng lượng mới chỉ bắt đầu xây dựng những khái niệm đầu tiên.

Một tập đoàn hàng không lớn đang phát triển hệ thống tối ưu hóa hình học dựa trên học máy, có thể mô phỏng hàng nghìn cấu hình khác nhau trong thời gian ngắn để tìm ra giải pháp giảm trọng lượng, cải thiện khí động học và nâng cao hiệu suất.
Một công ty phần mềm châu Âu đang xây dựng mô hình đa vật lý của tim người để hỗ trợ phát triển dược phẩm và thiết bị y tế.
Tại Mỹ, một hãng xe đang xây dựng hệ thống mô phỏng tất cả cấu hình phần mềm và phần cứng mà họ cung cấp, nhằm thử nghiệm các cải tiến thiết kế trước khi cập nhật qua mạng (OTA) cho khách hàng.
Một tập đoàn công nghiệp đa quốc gia Mỹ đang phát triển mô hình đa vật lý cho tuabin, cho phép dự báo hao mòn theo thời gian thực, tinh chỉnh hiệu suất và tối ưu hóa sản lượng dựa trên tuổi thọ dịch vụ và tổng chi phí sở hữu.

Những doanh nghiệp tiên phong này đầu tư vào bản sao kỹ thuật số vì bốn lý do chính:

Môi trường phát triển sản phẩm không rủi ro: cho phép đội ngũ thiết kế – kỹ thuật thử nghiệm nhiều phương án mà không tốn chi phí làm và thử nghiệm nguyên mẫu vật lý.
Nâng cao chất lượng kiểm thử và xác thực: cho phép đánh giá giải pháp mới trong nhiều kịch bản thực tế — kể cả những điều kiện vận hành cực đoan hoặc hiếm gặp.
Hiểu sâu hơn về hành vi sản phẩm: kỹ sư có thể theo dõi trạng thái của bất kỳ bộ phận nào trong hệ thống tại mọi thời điểm, và truy vết các tương tác phức tạp giữa các thành phần.
Dữ liệu thực tế hỗ trợ cải tiến sản phẩm: mô phỏng tác động của các thay đổi thiết kế dựa trên dữ liệu thu thập từ sản phẩm đang vận hành ngoài thực địa.

Theo trao đổi với các lãnh đạo R&D, bản sao kỹ thuật số đã mang lại tác động rõ rệt:

Rút ngắn 20–50% thời gian phát triển, đồng thời giảm chi phí.
Giảm số lượng nguyên mẫu tiền sản xuất — thường từ 2–3 mẫu xuống còn 1.
Giảm 25% khiếu nại về chất lượng khi sản phẩm đưa vào sản xuất, nhờ phần lớn công việc kiểm thử, xác nhận và nghiệm thu đã được thực hiện trong môi trường ảo.
Tăng doanh số 3–5% cho các sản phẩm phát triển dựa trên bản sao kỹ thuật số, nhờ tính năng tốt hơn, chất lượng cao hơn và sự hài lòng của khách hàng được cải thiện.
Tạo ra dịch vụ giá trị gia tăng sau bán hàng, như bảo trì dự báo và tối ưu hiệu suất trong quá trình sử dụng — giúp tăng doanh thu thêm 5–10% ở một số dòng sản phẩm.

Một cách làm việc mới

Tích hợp công nghệ bản sao kỹ thuật số ngay từ giai đoạn đầu của phát triển sản phẩm có thể giúp doanh nghiệp vận hành nhanh hơn, đạt kết quả tốt hơn và gắn kết chặt chẽ hơn với khách hàng.

Ví dụ, với những sản phẩm phức tạp và được tùy chỉnh cao — như máy móc cho sản xuất tiên tiến — thường được sản xuất theo đơn hàng (one-off) hoặc số lượng rất nhỏ, mỗi đơn hàng đòi hỏi lượng lớn công việc kỹ thuật ban đầu. Với phương pháp truyền thống, do không có nguyên mẫu, những sản phẩm này thường cần nhiều điều chỉnh sau khi giao hàng để khắc phục lỗi và tối ưu hiệu suất.

Ngược lại, một doanh nghiệp có nền tảng bản sao kỹ thuật số mạnh có thể mô phỏng toàn bộ sản phẩm trong môi trường ảo trước khi khách hàng ký duyệt thiết kế.

Vì những máy móc phức tạp thường kết hợp các thành phần sẵn có và chi tiết mới thiết kế, doanh nghiệp có thể duy trì thư viện mô hình bản sao kỹ thuật số của các linh kiện cốt lõi, kết hợp với mô hình của các chi tiết mới để tạo ra bản sao kỹ thuật số hoàn chỉnh.

Bản sao kỹ thuật số này có thể được dùng để trình diễn giải pháp cho khách hàng và xác minh rằng thiết kế đáp ứng đúng yêu cầu. Sau đó, các mô hình của chi tiết mới có thể được bổ sung vào thư viện, phục vụ cho các dự án tương tự trong tương lai.

Triển khai bản sao kỹ thuật số: Vượt qua thách thức

Tuy nhiên, việc xây dựng nền tảng bản sao kỹ thuật số không hề dễ dàng.

Các doanh nghiệp đi đầu cho biết họ gặp khó khăn trong việc tích hợp công nghệ bản sao kỹ thuật số vào hệ sinh thái phát triển sản phẩm số hiện có và hạ tầng CNTT tổng thể. Bản sao kỹ thuật số cũng đòi hỏi cách làm việc mới, không chỉ trong bộ phận R&D mà còn ở nhiều bộ phận khác. Do đó, một chương trình bản sao kỹ thuật số thành công thực chất là một dự án chuyển đổi tổ chức, cần cam kết từ ban lãnh đạo cấp cao, cùng đội ngũ quản lý chương trình mạnh để theo dõi tiến độ, xây dựng quy trình mới và hỗ trợ triển khai trong toàn doanh nghiệp.

Để vượt qua những rào cản này, doanh nghiệp nên áp dụng chiến lược triển khai theo từng giai đoạn. Ba giai đoạn đầu tập trung vào thách thức công nghệ: lựa chọn nền tảng, thiết kế kiến trúc và tích hợp hệ thống. Các giai đoạn sau tập trung vào chuyển đổi tổ chức, bao gồm thay đổi quy trình và văn hóa làm việc.

Giai đoạn thu thập thông tin thị trường và xác định phạm vi: Doanh nghiệp tìm hiểu các giải pháp bản sao kỹ thuật số đang có trong ngành, ước tính giá trị tiềm năng của từng loại, đồng thời học hỏi từ cách các doanh nghiệp khác triển khai. Kết quả sẽ giúp xây dựng lộ trình chuyển đổi phù hợp.
Giai đoạn thiết kế kiến trúc và xác định bộ công cụ phần mềm: Doanh nghiệp xác định các thành phần phần mềm, mối quan hệ và giao diện cần thiết, thiết kế “stack phần mềm” phù hợp — kết hợp công cụ thiết kế số hiện có và các thành phần mới. Đồng thời, quyết định nên tự phát triển hay mua từ bên ngoài.
Giai đoạn xây dựng năng lực phát triển phần mềm: Doanh nghiệp phát triển quy trình và năng lực cần thiết để xây dựng, tích hợp và triển khai nền tảng bản sao kỹ thuật số.

Ba giai đoạn này đòi hỏi đội ngũ nhân sự có nhiều kỹ năng chuyên môn, bao gồm kỹ sư hệ thống (xác định yêu cầu) và chuyên gia phân tích (xây dựng mô hình). Ở giai đoạn cao điểm, một đội phát triển nền tảng bản sao kỹ thuật số có thể lên tới khoảng 50 người.

Ba mô hình tổ chức triển khai bản sao kỹ thuật số

Doanh nghiệp có thể lựa chọn một trong ba mô hình tổ chức để triển khai bản sao kỹ thuật số:

Đơn vị kinh doanh độc lập: Chịu trách nhiệm xây dựng danh mục tài sản số riêng, được bán kèm với tài sản vật lý tương ứng. Phù hợp khi thị trường còn mới, tiêu chuẩn chưa thống nhất và ít sự chia sẻ giữa các đơn vị kinh doanh.
Tích hợp vào đơn vị kinh doanh hiện có: Tập trung phát triển và hỗ trợ ứng dụng bản sao kỹ thuật số cho sản phẩm của đơn vị đó. Đây là cách tốt để thử nghiệm ban đầu hoặc khi ít có lợi ích chung giữa các đơn vị.
Trung tâm xuất sắc (Center of Excellence) chung cho toàn doanh nghiệp: Hỗ trợ các đơn vị kinh doanh phát triển ứng dụng riêng, đồng thời đảm bảo tính nhất quán về quy trình và công nghệ. Mô hình này giúp mở rộng nhanh và duy trì tiêu chuẩn chung.

Tương lai của bản sao kỹ thuật số

Bản sao kỹ thuật số đang giúp các doanh nghiệp khai thác tối đa tiềm năng của Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI). Khi các công nghệ này tiếp tục phát triển nhanh chóng, bản sao kỹ thuật số cũng sẽ tiến hóa song song.

Trong tương lai gần, bản sao kỹ thuật số có thể chủ động tìm kiếm thông tin mới — ví dụ bằng cách điều chỉnh cài đặt cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu trên sản phẩm ngoài thực địa. Dữ liệu này sẽ được dùng để tự cải tiến mô hình và tạo ra thông tin mới cho cả nhà sản xuất lẫn người dùng.

Các bản sao kỹ thuật số cũng sẽ tương tác với nhau, cho phép mô phỏng những môi trường cực kỳ phức tạp — như hoạt động cảng biển, hệ thống giao thông đô thị, hay chuỗi cung ứng kỹ thuật đa bên.

Cuối cùng, chúng ta có thể chứng kiến sự xuất hiện của những bản sao kỹ thuật số có khả năng tự học, tự nhận diện cơ hội và đề xuất cải tiến sản phẩm hoàn toàn tự động.

Thông tin tác giả:
Roberto Argolini là đối tác tại văn phòng McKinsey Milan, nơi Federico Bonalumi là chuyên viên tư vấn và Stefania Pellegrinelli là đối tác liên kết; Johannes Deichmann là đối tác tại văn phòng Stuttgart.

Nguồn: https://www.mckinsey.com/industries/industrials-and-electronics/our-insights/digital-twins-the-key-to-smart-product-development#/