Snart stannar Volvon om du är okoncentrerad

Biomekanik brukar ibland beskrivas som ämnet som förklarar varför vissa insekter kan gå på vatten eller vilken rörelse som är den mest effektiva inom en speciell idrott. Men Elena Gutierrez Farewik, professor i biomekanik vid Kungliga Tekniska högskolan, KTH, och ledare för KTH MoveAbility Lab säger att hon föredrar Hay’s definition från 1973: ”Biomechanics is the science that examines forces acting upon and within a biological structure and effects produced by such forces”. Kort och gott handlar det alltså om det vetenskapsfält som studerar interaktionen mellan de krafter som verkar på och inom kroppens strukturer och vävnader, och effekterna av dessa krafter. Och klart är att forskningsområdet nu är hett.

– Det går med rasande fart, säger hon.

Men vad är det då som sker? Och var tillämpas tekniken? Just Elena Gutierrez Farewiks forskningsgrupp arbetar med robotiska exoskelett, det vill säga aktiva exoskelett som med hjälp av motorer och reglerteknik känner av en människas rörelseförmåga och intentioner och förstärker dessa.

Det har länge pratats om teknikens genomslag, samtidigt som den har setts lite som science fiction. Bland annat har problem med exoskelettens tyngd, otymplighet och begränsade batteri- och drifttid gjort att användningsområdena setts som begränsade, både civilt och militärt. Men nu ser Elena Gutierrez Farewik att genombrott kan vara på gång. Skeletten blir mer effektiva och bidrar verkligen till att underlätta för människan.

– Just nu har forskare och ingenjörer inom biomekanik precis kommit över en gräns där man kan göra sådana här exoskelett som gör det lättare att ta sig fram. De äldre modellerna väger så pass mycket att de inte förenklade.

Forskningen flyttar till affären och stridsfältet

En annan konkret aspekt inom biomekaniken är förbättringen som sker när det gäller så kallade fältmätningar. Tidigare har en stor del av forskningen ägt rum i laboratoriemiljö – på KTH används exempelvis motion capture – ett system av kameror och markörer som klistras på kroppsdelar eller andra objekt – och utifrån det skapas en tredimensionell inspelning för att studera hur människor rör sig. Till det finns sensorer som mäter kraft och muskelspänning och med hjälp av ansiktsmask mäts syreförbrukning. Även ultraljud används för att studera muskler och andra vävnader.

Men nu, och inom fem till tio år, bedöms fältmätningar bli allt mer aktuella inom biomekaniken. Det handlar då om att studera hur en person rör sig i en relevant miljö. Bland annat omfattar det hur en yrkesaktiv person – exempelvis någon inom vården, en byggnads- eller butiksanställd, eller en soldat – påverkas av olika belastningar.

– Det finns nu tröghetssensorer som mäter rörelse. Man kan ha dem i en dräkt och de mäter hur man rör sig. Vi börjar också bli bättre på att använda vanliga kameror för att mäta hur personer går. Och även när det gäller användning av sensorer som mäter muskelaktivitet, säger Elena Gutierrez Farewik.

Och enligt Gutierrez Farewik kommer biomekaniken framöver att bli alltmer påtaglig för människor i vardagen. Dels kan det handla om förbättringar för människor som har motoriska svårigheter och likaså inom friskvård, träning och motion. Och såväl civilt som militärt kan tekniken komma att utvecklas för människor som råkar ut för en skada.

– Förhoppningsvis blir det bättre behandlingar och hjälpmedel. Jag hoppas också att tekniken kan göras billig nog att spridas till länder som kanske inte har ekonomi eller kunskap om tekniken.

Vilka hot finns då med tekniken?

Ja, enligt Elena Gutierrez Farewik handlar ett hot om så kallad big data, det vill säga insamling av stora datamängder av biosignaler som muskelaktivitet och andra fysiska mätvärden från människor. Det ställer stora krav på etiska överväganden eftersom det kan påverka den personliga integriteten.

I det sammanhanget säger hon också att forskningen inom biomekanik idag går i två riktningar. Den ena mot allt bättre individanpassad vård och behandling.

– Vi blir bättre och bättre på att ge mer specifika råd till individer, säger Gutierrez Farewik.

Den andra riktningen handlar om framstegen inom ovan nämnda fältforskning med bärbara sensorer där mycket data kan samlas in från stora populationer.

– Det är väldigt populärt med artificiell intelligens och maskininlärning inom biomekanik idag. Och med stora mängder data kan vi helt enkelt göra större studier med mycket variation och fortfarande göra noggranna prediktioner.

Men på lite längre sikt hoppas Elena Gutierrez Farewik att biomekaniken ska kunna vara lite av en ”kristallkula” och kunna bidra med prognoser över hur enskilda människor använder sin kropp.

– Om man exempelvis bär någonting väldigt tungt, då vet vi vad som händer just nu. Men vad händer om ett år, tio år eller tjugo år? Det är väldigt svårt att veta.

Men där hoppas forskarna på en förändring. Att kunna se lite mer in i framtiden.

– Det är så jag tänker, det är lite av en kristallboll. Alltså att man kan få en prognos: fortsätter du så här så kommer du att få en axelskada, så gör på ett annat sätt redan nu, säger Elena Gutierrez Farewik.

Började med säkerhetsbältet

Ett exempel från industrin där biomekanik används är på Volvo Cars Safety Centre. Fokuset på biomekanik är för att på bästa sätt förstå vad som krävs för att bättre skydda människan i en krock. Analysen börjar med Volvos haverikommission, som funnits sedan 1970, och där arbetas med att samla in data från kollisioner och olyckor. Och syftet är enkelt: att göra bilarna säkrare.

– Väldigt kort så började det med att man ville förstå den verkliga effekten av säkerhetsbältet. Då handlade mycket om att verkligen förstå vilka utmaningar som vi har i trafiken med olyckor och skademekanismer. Det för att på samma sätt som med säkerhetsbältet föra in skyddssystem och tekniska lösningar som hjälper till att adressera de skador som sker i trafiken, säger Malin Ekholm, civilingenjör och chef för Volvo Cars Safety Centre.

Enligt henne finns det liknande verksamheter hos andra företag men hon menar ändå att företagets kommission delvis är unik. Bakgrunden är att Volvo Cars sedan starten har haft samma sätt att koda olyckor. I korthet innebär kodningen att varje trafikolycka beskrivs utifrån en rad parametrar som vägens beskaffenhet vid tillfället och vilka skador som uppkom på bilen. Till det ställs frågor, via försäkringsbolagen, om de olycksdrabbade tillåter att deras skador också kodas och registreras.

– Vi har läkare som kodar skadenivåerna, det kan vara brutna revben eller smalben och så vidare. Till syvende och sist handlar det om att skydda människan och vi behöver förstå hur bilen fungerade och vad som hände med människan så att vi kan förbättra bilen i nästa generation.

Och här kommer vi då in på frågan om hur Volvo Cars jobbar med biomekanik idag. I korthet innebär processen att data hämtas in från olycksplatsen för att ge så många svar som möjligt på vad som orsakade olyckan och vilka skador bil och personer åsamkades. Sedan bearbetas detta ytterligare.

– Vi har ett krocklabb där vi med en väldig precision kan köra två bilar mot varandra och då kan vi sätta in våra krockdockor i bilarna och mäta signalerna och jämföra det med de skadekriterier vi har i vår databas för den typen av olyckor, säger Elena Ekholm.

Ekholm beskriver också att om olyckan inte handlar om en kollision bil till bil, så är Volvos anläggning byggd så att det finns möjlighet att flytta ut bilen ur krocklabbet och där finns en bergvägg, grusvägar, en sjö och diken där fingerade olyckor kan studeras.

– Därifrån kan vi rekonstruera det som händer på fältet, plocka in det till de krockdockor och verktyg vi har i det fysiska labbet för att sedan plocka in det i de virtuella beräkningarna där vi också har en så människolik representation som möjligt.

Och i den virtuella världen kan sedan bland annat hastighet, storleken på personer som färdas i bilen och kollisionsvinkel varieras.

– Det är där man bygger in en robusthet för variationen som faktiskt händer i trafiken. Så det blir en lång kedja som börjar med vad som händer på fältet, översätta det till våra mätverktyg i krocklabbet och sedan jobba tillsammans med mekaniker och konstruktörer för att förstå hur och vilka steg vi ska ta i nästa tekniska plattform för att ta oss vidare, säger Elena Ekholm, som tillägger att hon har en adjungerad professor inom biomekanik i ledningsgruppen och andra biomekanikspecialister i verksamheten.

I sammanhanget lyfter hon också fram att det krävs ett brett perspektiv kopplat till biomekanik när det gäller att studera skador som uppkommer vid en olycka. Exempelvis är det viktigt att bilstolarna är bekväma eftersom bilens säkerhetssystem med bland annat bilbälte, airbag och annat är konstruerat för att personer sitter som det är tänkt.

– Vi har jobbat tillsammans med läkare för att förstå kroppens struktur och tillsammans med våra ergonomer på företaget för att förstå hur man som människa sitter när man sitter bekvämt.

Några exempel på innovationer som kommit från Volvos säkerhetsavdelning genom åren är bakåtvänd barnstol, barnkudden för att barn ska komma upp i höjd och kunna använda bilbältet på ett så gynnsamt sätt som möjligt samt flera förbättringar av bilen utifrån sidokollisioner.

Bilförarens koncentration ska följas

Så framöver då, vad är det som kommer inom bilsäkerhet och biomekanik? Enligt Malin Ekholm handlar det om vidga synen än mer på vad som hjälper bilförare. I sammanhanget beskriver hon människan som en otroligt bra bilförare – ”ögonen, hjärnan och motoriken är kompetenta verktyg när man är på sin bästa plats i livet”.

Men global data – bolaget använder information från USA, EU och Kina, samt sin egen databas – visar en tydlig problemställning för bilförare. Och det handlar i stort om hur vi mår och hur vår koncentrationsförmåga är vid varje enskilt tillfälle.

– Det har tidigare talats mycket om hur alkohol och mobiltelefoner påverkar körning, men det kan också vara att du glömt din bröllopsdag, fått ett dåligt besked hos läkaren eller har barn som ska hämtas på dagis och du är sen. Det finns så otroligt många saker som påverkar oss som människor.

– Så vår uppgift blir ju då att försöka hitta de mekanismer som gör att vi kan få tillbaka dig på ett bättre sätt i körningen, att få dig till den bästa föraren du kan vara i varje ögonblick, säger Elena Ekholm.

Det låter nästan som om ni talar om att försöka utröna hur föraren mår psykiskt, om den har grubblerier eller liknande under körning?

– Vi har kommunicerat att det vi kommer att jobba med är en sensor i bilen som kommer att ingå i vår nästa bilplattform som lanseras om ett par år. Sensorn är en kamera men den finns inte där för att filma men med hjälp av ögonrörelser, huvudrörelser och andra triggindikatorer kan rörelser omsättas i en tolkning i huruvida du är koncentrerad på att framföra fordonet eller inte. Och då kan man ju öka förarstödssystemen och i slutänden kan det bli så att bilen stannar automatiskt och tillkallar hjälp automatiskt. Exakt hur det kommer att se ut vet vi inte riktigt ännu men det är det vi jobbar med i vår forskning och utveckling.

I övrigt beskriver Elena Ekholm att det finns en viss paradox i arbetet framöver. Målsättningen är att få ner antalet olyckor till noll och det gör att mängden olyckor att lära från minskar hela tiden. Det ses givetvis som något positivt men är något som måste tas hänsyn till i utvecklingsarbetet.

– Vi försöker arbeta med big data, stora datamängder, för att verkligen analysera trafik och scenarier. Vi jobbar med hela händelsen som ledde fram till en krock för att på så sätt i framtiden kunna undvika att ens hamna in i en kritisk situation. Och på andra sidan krocken arbetar vi med frågan på vilket sätt kan vi hjälpa till där, säger Malin Ekholm.

Reportaget publiceras i samarbete med SOFF: Säkerhets- och försvarsföretagen.