En gammel drøm er nu endelig blevet virkelig og er på vej ind i mainstream. Alt efter generation har mennesker altid drømt at være Iron Man, Robocop, Terminator, Starship Trooper eller en anden figur fra tidens science fiction, hvor robot og menneske smelter sammen til et – en såkaldt cyborg.
Exoskeletter er netop robotter, man kan tage på som en dragt, og de vinder i den grad frem lige nu. Sci-fi er tilsyneladende ved at blive virkeligt, men hvad kan man i grunden med exoskeletter, og er de substantielt anderledes end andre værktøjer, som mennesker har brugt i årtusinder?
Et sted tæt på stammen af det evolutionære træ skiltes leddyr som krybdyr og pattedyr – altså os – fra insekter, krebsdyr og andre skabninger, der har skelettet siddende uden på kroppen. Altså et exoskelet, som direkte betyder ’ydre skelet’. Det giver faktisk god mening, at hvis kroppen skal bruge noget afstivning i form af et skelet, så kan afstivningen samtidig udnyttes som en slags hud og skjold mod fjender og elementernes rasen.
Fra et ingeniørmæssigt synspunkt giver det også god mening, at en skalkonstruktion kan være en bedre udnyttelse af materiale end et tyndt, indre rørstel som vores skelet. Man får nemlig mere styrke og stivhed for pengene, hvis stængerne i skelettet har tværsnit med store diametre. Måske er det derfor, at den ’anden’ gren på træet – insekter, krebs og den slags kryb – med millioner af arter har været langt mere succesfulde end os leddyr.
Og måske er det derfor, at vi mennesker nu er ved at adoptere exoskeletterne til eget brug – ikke som en erstatning for vores eget skelet men som et supplement. Exoskeletter vinder frem på arbejdspladser som en ny måde at give menneskekroppen styrke. Hvad kan vi forvente os af den nye teknologi? Hvad er dens potentialer og problemer? Og hvad skal der til, før vi alle bliver halvt robotter med superkræfter?
Aktive og passive exoskeletter
Exoskeletter kan stort set deles op i to kategorier: Aktive og passive.
De aktive exoskeletter har motorer og batterier, der kan bidrage med energi. Iron Man har et aktivt exoskelet, og sådan et er en nødvendighed, hvis du skal bruge superkræfter. Desværre har de også en del tekniske udfordringer, som er spændende for os forskere at løse, men knap så smarte i daglig brug, så aktive exoskeletter er ikke ret udbredte endnu, undtagen blandt superhelte.
Et problem er, at motorer og batterier er tunge, så exoskelettet skal bruge en masse kræfter på bare at løfte sin egen vægt, før det kan gøre noget gavn for brugeren.
Et andet problem er at styre exoskelettets kræfter. Det skal helst gætte helt automatisk, hvad brugeren vil gøre og øjeblikkeligt hjælpe til, så det føles naturligt. Skal man hele tiden ofre opmærksomhed på at fortælle exoskelettet, hvad det skal gøre, er det ikke meget bevendt.
Løsninger er at lade exoskelettet måle og forstå signalerne fra brugerens nervesystem eller lægge avanceret maskinlæring ind i exoskelettets computer, så det selv lærer alle de almindelige kombinationer af bevægelser at kende. Lykkes det, kan exoskeletter genskabe førlighed og uafhængighed for personer med funktionsnedsættelser og blive lige så gode, som vi ser i science fiction. Desværre er der stadig lang vej hjem, før den drøm bliver virkelighed, men forskerne arbejder hårdt på det.
De passive exoskeletter er langt mere udbredte i dag. De behøver ikke motorer, batterier eller avancerede styresystemer. Uden motorer skulle man tro, at et exoskelet mest bare var en hindring, men det er langt fra sandheden. Passive exoskeletter kan give dig flere kræfter uden selv at have nogen, og du ejer formentlig selv en slægtning til exoskelettet, der beviser, hvordan det kan lade sig gøre.
Umiddelbart lyder det som en byrde at slæbe ti kilo metalrør og gummislanger med sig på en lang gåtur. Men hvis de ti kilo er en cykel, så er det pludselig ikke så dum en ide. Selv om cyklen er død vægt uden motor eller batteri, så giver den mekaniske fordele, der kraftigt øger kroppens evne til at komme frem ved egen kraft. Akkurat som et passivt exoskelet.
En udvidet cykel
Faktisk kan man lære en del om passive exoskeletter ved at tænke på dem som cykler. En cykel er en stor forbedring af et menneskes bevægelsesevne. Vi kan både bevæge os hurtigere og længere på en cykel end til fods, selvom vi skal producere energien selv, og selvom cyklen tilfører en del ekstra vægt. Vi er bare blevet så vant til cykler, at vi sjældent tænker over, hvad de gør for os.
Cykler er nyttige, hvis den vandrette del af en persons transportbehov er meget større end den lodrette del, og det er tilfældet selv på den ondeste bjergetape i Tour de France. På Alpe d’Huez, der stiger 8 pct., kører man 12,5 gange så langt vandret som lodret.
Når du færdes til fods på en flad vej, så bruger du kræfterne til at bære kropsvægten og til at accelerere og bremse benene for hvert skridt. Især det første undgår du på en cykel, hvor du kan rulle næsten uden modstand og uden at bære din kropsvægt. Fordi tyngdekraften presser ned og ikke tilbage imod bevægelsen, kan cykelstellet klare den opgave uden at bruge nogen energi, alene ved at være stift.
Med cyklen som analogi for det passive exoskelet, så er den perfekte opgave altså noget, hvor exoskelettet kan bære en belastning for brugeren uden at bruge energi på det.
Det kunne være en tømrer, der bruger en skruemaskine til at montere gipsplader. Skruemaskinen vejer måske ét kilo og skal løftes og holdes mod en skrue på væggen. Umiddelbart let nok, men ret belastende for skuldre og arme, hvis det skal gøres otte timer om dagen.
Skal du bare holde skruemaskinen stille et bestemt sted mod væggen, så bruger du ingen energi på at skabe bevægelse, men kun kraft på at modvirke tyngdekraften. Det kunne et passivt exoskelet sagtens hjælpe med ligesom et cykelstel.
Når skruemaskinen hele tiden skal løftes op og ned til forskellige skruer langs væggen, bliver det lidt mere kompliceret, men det kan et passivt exoskelet faktisk også klare helt uden motorer. Det giver mening, hvis vi parkerer cyklen og i stedet ser exoskelettet som en elevator.
Træder du ind i en elevator, virker det som om, der skal en meget stærk motor til for at løfte den enorme vægt af både dig, den kabine, du står i, og en masse maskineri. Men elevatorens hemmelighed er kontravægten.
I den anden ende af elevatorkablet sidder der nemlig en vægt, der vejer det samme som kabinen. Når kabinen løfter dig op, går kontravægten ned, og omvendt. Systemet er næsten i ligevægt, og derfor skal elevatorens lille motor kun bruge ganske få kræfter på at løfte din vægt – ikke hele systemet.
Passive exoskeletter har fjedre i stedet for kontravægte. Når du sænker armen med skruemaskinen eller noget andet tungt, strammes fjederen, og når du løfter den igen, hjælper fjederen til. Ligesom elevatorens kontravægt, så udligner fjederen vægten af din arm og af exoskelettet, så du kun skal bruge kræfter på at løfte det, du samler op.
Det kunne være fristende at stramme fjederen endnu mere, så du uden besvær kunne løfte noget meget tungt meget længe, men så skulle du bruge ekstra kræfter på at få armene ned igen, så snart du lægger de tunge ting fra dig. Passive exoskeletter er derfor bedst egnet til at løfte sig selv og din krop under opgaver, hvor du arbejder imod tyngdekraften – ikke til at løfte voldsomt tungt. Du bliver altså ikke til Iron Man med et passivt exoskelet.
Exoskeletter ind på arbejdspladsen
Udfordringerne med at styre et elektrisk exoskelet er der mange, som forsker i. Men selve det mekaniske design er også noget, vi arbejder ivrigt på. Et af problemerne er at få det nye, ydre skelet til at spille sammen med vores eget skelet inde i kroppen. Det kræver nogle sindrige mekanismer at få exoskelettet til at aflaste snarere end belaste kroppen.
Hele ideen med et exoskelet er at gavne mennesker, og derfor forsker vi på AAU også intensivt i deres ergonomiske effekt. Inden for arbejdsmiljø skal man af gode grunde være meget sikker i sin sag, før man ændrer grundlæggende på noget og risikerer at gøre mere skade end gavn.
Man har for eksempel mange års solid erfaring for, at hjelm og sikkerhedssko forbedrer sikkerheden på byggepladser, men ikke rigtig hjælper i en tøjbutik. For exoskeletter mangler vi denne erfaring, simpelthen fordi de er så nye og komplicerede at tage i brug.
Den store risiko ved at bruge exoskeletter er, at styrker man én del af kroppen, kan man øge belastningen af en anden del. Hvis en løfteopgave er begrænset af dine armes styrke, så er din ryg måske automatisk beskyttet mod større belastninger. Tilføjer man et exoskelet til armene, så du kan løfte tungere eller i længere tid, så kommer du måske til at belaste ryggen mere og risikerer en skade.
Skal vi forstå exoskelettets effekt i en bestemt arbejdssituation, er der grundlæggende to muligheder: Vi kan enten regne på det eller måle direkte på brugeren, og begge tilgange har deres begrænsninger.
Målingen kan ske med små elektroder klistret på huden over vigtige muskler. Når musklerne arbejder, kan elektroderne måle deres elektriske aktivitet og vise, om exoskelettet aflaster musklerne. Det har den fordel, at man måler direkte på den konkrete person i den konkrete situation, men det har også ulemper. Man kan ikke måle på dybereliggende muskler og kun et begrænset antal ad gangen, og man kan ikke måle ledkræfter, som er årsag til mange arbejdsskader.
Den anden måde at vurdere effekten sker på computer, hvor detaljerede modeller af skelet og muskler efterhånden er blevet gode nok til at være alternativ til at måle på en levende person. Det danske system AnyBody er for eksempel i stand til at beregne exoskeletters effekt på kroppen. Systemet har en avatar med knogler, muskler og led, og efter en simpel måling kan en bestemt persons bevægelser og kropsdimensioner komme ind i systemet. Derefter kan man analysere både muskel- og ledkræfter overalt i avatarens krop med og uden exoskelet og få et ret omfattende billede af, hvordan exoskelettet vil påvirke den konkrete medarbejder i den konkrete arbejdssituation.
Du kan desværre ikke få din egen personlige Iron Man-dragt i morgen. En mere beskeden version af superheltedragten – det aktive exoskelet – er mere realistisk, men får ikke sit helt brede gennembrud, før forskerne har løst en del knuder med styring og strøm.
Det passive exoskelet – en motorløs elevatorcykel til din krop – er allerede godt på vej ind på arbejdspladserne, og så længe vi arbejder hårdt på ergonomi og design, kan det blive en revolution til det bedre for mange med fysisk arbejde. Og for os andre. Måske kommer du selv til at bruge et om nogle år, når du skal klippe hækken i haven til Sankt Hans.
