Forestil dig, at vi i fremtiden bærer en lille elektronisk pukkel på ryggen.
Det lette pukkel kaldes også et exoskelet og trækker kabler ned langs dit ben og er forbundet til anklen.
Formålet? At få dig til at gå længere og lette dit arbejde, alt imens du producerer strøm som et omvandrende kraftværk.
Selvom det kan lyde som noget fra en sci-fi film, er fremtiden her allerede.
I et nyt studie i tidsskriftet Science har forskere fra Queen’s University nemlig demonstreret, hvordan et exoskelet, en slags robotdragt, kan assistere med fysisk bevægelse.
Forskerne testede den nye robotdragt på 10 raske mænd og fandt, at de med dragten kan reducere mændenes metaboliske omkostninger med 3,3 procent, når de gik langt.
Metabolisme er en proces, der omsætter vand, mad og andre materialer til stoffer, som kroppen har brug for at kunne fungere.
Det betyder, at man - ifølge studiet - kan gå længere uden at blive udmattet med nye dragt, der vejer under et kilo.
Groft sagt letter dragten og de lange snore belastningen omkring knæet. Det betyder, at kroppen skal bruge mindre energi til at betjene overbenets muskler, som kan siges at være vores 'biologiske bremseklodser', der er med til at styre og bremse vores sving i benet.
\ Læs mere
Et felt i rivende udvikling
Professor John Rasmussen kalder det et fascinerende 'proof of concept'-studie, der taler ind i en rivende teknologisk udvikling om menneskets måde at bevæge sig på.
»For blot 5 år siden var jeg på en konference, hvor en af de førende forskere lavede computersimuleringer på det, som man nu ser i Science. Exoskeletter er allerede på vej ind på arbejdspladser i forskellige former, så forskningen sætter skub i en udvikling,« siger John Rasmussen, som er professor i biomekanik på Aalborg Universitet og forsker i exoskeletternes betydning for kroppen.
Professoren fremhæver, hvordan man i dag kan købe robotskeletter, der sidder omkring skulderne og for eksempel hjælper lagerarbejdere, som hver dag laver det samme, tunge løft. Eller hvordan slagteriarbejdere, der skærer og løfter store mængder kød hver dag, kan aflastes med ’robot’-arme.
Princippet med den slags passive exoskeletter er grundlæggende, at de ikke tilføjer dig noget ekstra energi, men i stedet forsøger at opretholde en balance i kroppens naturlige position. På den måde kan man skåne vores indvendige skelet ved at overføre noget af belastningen til et skelet udenpå kroppen, som du kan se her:
I dag er der allerede exoskeletter på markedet, som kan hjælpe lagermedarbejdere med de tunge løft, så de kræver mindre energi.
Det samme princip bruges i det nye Science-exoskelet, som heller ikke er udstyret med en stor motor, men høster energi fra kroppen bevægelse.
\ To slags exoskeletter
Der findes grundlæggende to hovedtyper af exoskeletter:
De passive er dem, man især satser på i forhold til arbejdsmiljø, hvor ellers raske mennesker kan forebygge skader og nedslidning. De giver aflastning, ved at man fjerner noget belastning fra sårbare områder (for eksempel skuldre eller knæ) – men der sidder ingen motor i og er dem, der er lavet i studiet.
De aktive er dem, hvor man samtidig ved hjælp af motorkraft kan tilføre ekstra styrke. Potentialet med disse exoskeletter er især stort indenfor sundhedssektoren i forbindelse med blandt andet rehabilitering eller at få en person, der er lam, på benene igen.
Og kigger man i krystalkuglen, forestiller John Rasmussen sig, at de mere avancerede robot-dragter som den i Science kan bruges andre steder end blot i laboratoriet.
»Det betyder måske ikke så meget for dig og mig, når vi skal gå til købmanden. Men der er masser af mennesker, som er ældre, fysisk svage eller for eksempel har KOL, hvor sådan en tur er på grænsen eller over, hvad de kan klare.«
»Her kan det betyde enormt meget, hvis man ved hjælp af et exoskelet kan nedbringe energiniveauet ved gang til det halve, så lungerne kun skal præstere det halve af, hvad de ellers skal,« forklarer professoren.
Computermodeller giver et nap med
Forskere har længe været optaget af at bygge et mekanisk system, der afbalancerer vores krop, så vi skal bruge mindre energi på at bevæge os fra a til b.
Og noget af det, som John Rasmussen forsker i, er processerne bag det at skabe en robotdragt.
Han arbejder med såkaldte biomekaniske modeller – avancerede computermodeller – som kan forudsige, hvordan for eksempel cyklussen fra et skridt, som gentages hundredvis af gange i løbet af en dag, kan aflastes af et exoskelet.
»Modellerne er med til at kortlægge, hvornår man laver positivt og negativt arbejde i sådan en skridt-cyklus. På den baggrund designer man fjedersystemer, som frigiver energien på de rigtige tidspunkter, når man kobler den på en person, som man også ser i studiet her.«
Computermodellerne gennemtrawler altså vores bevægelsesmønstre helt ned i detaljen, så det til sidst er muligt at kortlægge, hvordan vi kan tage de mest energieffektive skridt.
Men, men.. Som det er med det meste teknologi, er der også udfordringer: Forskerne vil typisk gå efter at optimere et exoskelet til en specifik ting, for eksempel gang. Det kan gøre det besværligt at lave andre ting basale ting med skelettet klistret til kroppen.
»I løbet af en dag laver vi mange andre ting end at gå, og når man laver biomekaniske optimeringer, bliver det ofte på bekostning af andre ting. Det kan betyde, at anvendelsesmulighederne for visse exoskeletter bliver begrænset.«
»Det er for eksempel markant anderledes at gå på et ujævnt terræn eller op ad bakke, og det mangler man stadig at vise, hvordan skal fungere,« fortsætter John Rasmussen.
Udstyret vejer ifølge forskerne ikke meget mere end et kilo, og det er muligt at omdanne energi fra bevægelserne til strøm.
\ Læs mere
Vil gøre mennesker til et mindre kraftværk på sigt
Forskerne bag det nye studie har som noget nyt udstyret exoskelettet med en en lille generator, der omsætter noget af den kinetiske energi - også kaldet bevægelsesenergi – som kroppen producerer, til elektricitet.
Det kan i princippet sammenlignes med et mekanisk armbåndsur, som får sin energi, når vi går med det.
Forsøgspersonerne kunne vride beskedne 0,25 watt ud af skelettet per gangcyklus - altså fra det tidspunkt, hvor den ene fod berører underlaget, til den samme fod igen får kontakt med det; en cyklus består dermed af to skridt.
For lige at sætte det i perspektiv lader en Iphone-oplader 5 watt.
»Det er ikke noget, der løser vores udfordringer med at skaffe nok grøn energi, men det kan give mening at høste energi fra kroppen, fordi vi efterhånden går rundt med flere og flere små dimser på os.«
Industrien tager over
Forskerne bag studiet fremhæver selv, at man på sigt kan oplade en Iphone teknologien. Og i en perspektiv-artikel i Science beskriver flere forskere, som ikke har været en del af studiet, hvordan et exoskelet potentielt kan blive en gevinst i for eksempel udviklingslande, hvor behovet for energi er stort.
De estimerer, at den nye forskning kan lægge kimen til fremtidens måde at høste energi på i fremtiden, og en dragt potentielt kan levere mellem 20 og 40 procent af en persons behov for elektricitet til små elektroniske dimser på en typisk dag.
Ifølge John Rasmussen bliver det ikke nødvendigvis robot-dragten i Science, der lander på hylderne, men udviklingen går kun en vej:
»Det har været grundforskning i en hel del år, hvor man har set, der har været et potentiale. Nu er teknologien blevet så moden, at den er en hyldevare til visse opgaver.«
»Her har vi set, at industrien kommer ind, når der kommer noget økonomi bag, hvor ingeniørerne begynder at tage over for grundforskerne og lave løsninger, som bliver tilgængelig for omverdenen,« fortsætter professoren, som spår, at exoskelet vil kunne gøre en positiv forskel for arbejdsmiljøet i flere brancher, som man allerede ser det på sundhedsområdet.
