Månad: februari 2022

En prognos som tio år i förväg berättar att du måste förändra ditt sätt att sitta, gå eller lyfta för att undvika en viss sjukdom. Eller att din bil automatiskt stannar och tillkallar hjälp om du är okoncentrerad. Biomekaniken utvecklas just nu i ”rasande fart”, enligt expertis. Och Försvarsmakten är intresserad.

Biomekanik beskrivs ibland 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 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 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 Elena Gutierrez Farewik.

Men vad är det då som sker? Och var tillämpas tekniken? 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 batteriXXX-och drifttid gjort att användningsområdena setts som begränsade, både civilt och militärt. Men nu ser Gutierrez Farewik att genombrott kan vara på gång.
-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, säger Gutierrez Farewik.

Forskningen kan flytta till affären och stridsfältet
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 framöver 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.
-De 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, säger 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.
-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, säger Gutierrez Farewik.

Vilka hot finns då med tekniken?
Ja, enligt 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 Gutierrez Farewik 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, säger Gutierrez Farewik.

På lite längre sikt hoppas Gutierrez Farewik att biomekaniken ska kunna vara lite av en ”kristallkula” och kunna bidra med framtidsprognoser över hur enskilda människor använder sin kropp och hur den påverkas av exempelvis tunga lyft.
-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. Till syvende och sist handlar det om att skydda människan. Vi behöver förstå hur bilen fungerar så att vi kan förbättra bilen i nästa generation, säger Malin Ekholm, civilingenjör och chef för Volvo Cars Safety Centre.

Och här kommer vi då in på frågan om hur Volvo 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 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, säger Ekholm.

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

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 Ekholm 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, enligt Ekholm, en tydlig problemställning för bilförare. Och det handlar 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, säger 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, säger Ekholm.

Försvarsmakten: ”Alla hjälpmedel som bidrar är värdefulla”
Vad säger då Försvarsmakten? Ja, när det gäller exoskelett är det ett område som myndigheten följer. Och det är kopplat till frågan om hur mycket en soldat ska kunna bära – både utifrån soldatens egen fysik och med eventuella hjälpmedel.
-Även om saker blir lättare bär vi fortfarande väldigt mycket, säger Rickard Stridh, forskningschef på Försvarsmakten.

Men lösningen behöver nödvändigtvis inte vara ett exoskelett.
-Det kanske ska rulla någon liten autonom markfarkost bredvid gruppen som bär packningen, säger Stridh.
Ovan nämns också att fältmätningar bedöms bli allt mer aktuella inom biomekaniken. Är det något för Försvarsmakten?
-Vi har intresse av att se till att våra soldater under utbildningen, eller annan tjänstgöring, inte blir skadade. Alla hjälpmedel som bidrar till att de bygger upp sin förmåga och vidmakthåller den är värdefulla, säger Stridh.

Hur är det då med frågan om att använda sensorer för att fånga upp en människas status i olika situationer? Enligt Försvarsmaktens forskningschef finns det forskningsprojekt kopplat till myndigheten med virtuella miljöer där syftet är att användare med hjälp av exempelvis ögonrörelser ska kunna få olika information presenterat för sig.
-Det är viktigt givet den med väldigt hög hastighet ökande informationsmängden. Informationen behöver presenteras och då måste det finnas något som känner av vad soldaten, eller specialistofficeren eller vem det nu kan vara, för tillfället är intresserad av. Och vi har ju hjälmsikten i flygvapnet som presenterar det som man tittar på, säger Rickard Stridh.

Motion capture-tekniken har varit omtalad inom film- och nöjesbranschen. Men den är också på väg att flytta utomhus och kopplas till globala positionssystem och användning vid forskning och i militära sammanhang.
Abba gör comeback med hjälp av tekniken. På samma sätt fick filmen Avatar stor uppmärksamhet när metoden användes där för över tio år sedan. Men utvecklingen inom motion capture, eller mo-cap som det ibland kallas, har inte stått still. I korthet handlar grundtekniken om ett system av kameror och markörer – markörerna klistras på kroppsdelar eller andra objekt som kan följas av kamerorna – och utifrån det skapas en tredimensionell inspelning.

Och tekniken har fått uppmärksamhet i just nöjes-, film- och dataspelsbranschen. Men den används också inom produktutveckling och forskning. I det senare fallet bland annat i den tvärdisciplinära verksamheten vid Humanistlaboratoriet vid Lunds universitet. Föreståndare för anläggningen är Marianne Gullberg, professor i psykolingvistik, och hon ger ett exempel på användning.

– När arkeologer hittar något som liknar ett svärd vid sidan av mänskliga kvarlevor kan de vara intresserade av att veta hur stor någon behövde vara för att orka svinga svärdet och åsamka en viss skada. Genom att bygga en kopia av svärdet och låta en person svinga det och mo-capa rörelsen så går det analysera hur axelbred användaren kan tänkas ha varit, säger Gullberg.

Men det är inte bara arkeologer som har nytta av tekniken. Även vid språk- och beteendeforskning används den.
– Jag vill gärna sätta markörer på folk när de talar och gestikulerar så att jag kan få en precis bild över hur rörelsemönster ser ut i förhållande till tal, säger Gullberg.

Italienare vs svenskar – vem gestikulerar mest
– Det finns föreställningar om hur svenskar rör sig och gestikulerar jämfört med italienare till exempel. Men om man gör en mo-cap-inspelning av en italienare och en svensk så ges väldigt precisa uppgifter kring hur mycket de rör sig, hur stora gesterna är och hur snabba gesterna är. Vi får en mycket mer detaljerad bild av något där folk bara tycker en massa saker, och det vill vi gärna kvantifiera och räkna på. Då får vi lite mer konkreta uppgifter, säger Gullberg, som tillägger att resultatet av den forskningen är att ju mer upphetsad en person är, desto mer gestikulerar personen. Och det gäller svenskar precis lika mycket som italienare.

– Om man talar med väldigt stark röst så är ofta gesterna också mycket intensivare och det gäller också både svenskar och italienare, säger Gullberg.

Var ligger då framkanten när det gäller motion capture-teknik idag? Ja, enligt professor Gullberg handlar mycket just nu om att få till inspelningar där detaljer syns väl. Till exempel fungerar tekniken bra för att studera hur en hand rör sig i relation till övriga kroppen. Men det är svårare att studera detaljer, som hur ett finger rör sig i förhållande till ett annat. Ännu svårare är det att studera ansiktsuttryck.
– Så att komma åt detaljerna i rörelsemönster, det är väl egentligen det som är den riktigt stora utmaningen för närvarande, säger Gullberg.

Ett sätt att försöka lösa de här svårigheterna går ut på att kombinera motion capture med högupplöst video. Till det kommer också användandet av artificiell intelligens och maskininlärning.
– Det är framkanten, en kombinationen av motion capture och artificiell intelligens när det gäller just ansiktsigenkänning, säger Marianne Gullberg.

En annan aspekt som nu kommer handlar om intresset för att kunna fastställa var ovan nämnda markörer finns i förhållande till en geografisk punkt. Tidigare har fokus främst varit på var markörerna finns i förhållande till varandra. Kopplat till den här utvecklingen bedöms också mo-cap-systemen utvecklas mot att bli mer mobila och på sikt också fungera allt bättre i utomhusmiljö.

Från OS-medaljer till militära drönare
Hur motion capture kan användas inom försvar och säkerhet är något som har diskuterats under ett antal år. Och som exempel finns uppgifter om att brittiska armén sätter tekniken i samband med utbildning och tredimensionell visualisering. Och det är ett användningsområde som också professor Gullberg bedömer som troligt.
– Det som ligger nära till hands att tänka sig är en kombination av motion capture och virtuell verklighet för att skapa övningssituationer. Man kan tänka sig en inspelning där någon rör sig på ett aggressivt sätt, och sedan rör sig samma individ på ett mer undfallande sätt, och sedan stoppas det in i en miljö och där kan säkerhetspersonal öva på hur detta ska bemötas, säger Marianne Gullberg.

Ett bolag i Sverige som arbetar med teknik för motion capture är Qualisys som utvecklar egna digitala kameror och egen programvara för att göra 3d-rekonstruktioner.
– Vi kan mäta under väldigt svåra förhållanden, under vatten, utomhus och vi kan göra mätningar där det finns kraftiga magnetfält, säger Fredrik Müller, chief strategy officer på Qualisys.

Enligt Müller finns det flera olika utvecklingsspår inom motion capture för närvarande. Något som flera aktörer tittar på är om det går att använda motion capture utan de markörer som idag sätts på de objekt som ska mätas. I det fallet studeras om det går att göra rekonstruktioner utifrån råvideodata. Och här nämner Müller att det finns intresse att mäta hur elitidrottare rör sig under pågående tävlingar, som under ett VM eller ett OS.
– Det går ju inte att sätta mätpunkter på människor när de tävlar. Men ur ett forskningsperspektiv får man inte alltid samma rörelsemönster under kontrollerade labbförhållanden som i en tävlingssituation, säger Müller, som en förklaring varför möjligheten nu efterfrågas.

En annan fråga som länge varit närvarande när det gäller utvecklingen av motion capture-system är dess kapacitet utomhus.
– Det är inte lätt att mäta utomhus men vi har tekniska lösningar för att göra det bättre och idag har vi lösningar som används utomhus. Vi har haft några case när det gäller drönarutveckling som är kopplade till militära tillämpningar där det finns önskemål att kunna mäta på drönarna när de flyger utomhus i en ganska stor mätvolym, säger Müller.

Och här tar han också upp att det finns ett ökat intresse för att se var markörerna finns i ett geografiskt perspektiv.
– Ja, det tror jag har att göra med de militära tillämpningarna, säger Müller.
– När det gäller träning och simuleringar för säkerhetstillämpningar – det har vi gjort ganska långt tillbaka i tiden i vr-miljö (virtual reality) – men då har det varit i en ganska begränsad mätvolym, i labbmiljö. Nu skulle det kunna kopplas det till en global gps-koordinat och man gör mo-cap inom en relativt stor yta, låt säga 100 gånger 60 meter, och människor kanske rör sig i det området och då kanske man vill koppla det till var det är på ett övergripande plan, säger Müller.

Men Müller ser fler tänkbara militära användningsområden.
– Jag tror kanske framför allt på att utveckla och validera kontrollalgoritmen hos drönare och för att testa styr- och regleralgoritmerna under kontrollerade förhållanden vid utveckling av undervattensfarkoster, säger Müller.

På sikt tror Müller också att mätningar liknande de som görs på elitidrottare kommer att kunna ske på militär personal. Det skulle kunna vara hur en soldats uthållighet och rörelse är kopplat till extern utrustning som ryggsäck och liknande.
Och så även inom träning och simulering.
– Det har pratats under många år om att använda spelmotorer och göra varianter av spelmotorer som kan användas för olika scenarier kring hur soldater agerar. Skillnaden nu jämfört med för tio år sedan är att saker kan göras mer realistiskt och med bättre grafik. Det är inte nytt men förfinat och förbättrat och det görs av många på den militära sidan idag, säger Fredrik Müller.

Användning i metaverse
Generellt tror professor Marianne Gullberg att motion capture kommer att användas mycket inom undervisning. Samtidigt är hon tydlig med att det just nu är svårt att bedöma utvecklingen inom området.
Inte minst är det kopplat till den så kallade metaverse-trenden som är något som allt fler teknikbolag talar om och vill förhålla sig till. I korthet brukar metaverse beskrivas som en slags internetvärld i tre dimensioner där människor ska kunna tillbringa tid, arbeta och förströ sig. Tanken har funnits länge men har fått förnyat bränsle på sista tiden, inte minst efter att Facebook hösten 2021 meddelat sitt namnbyte på ägarbolaget till Meta.
– Det handlar om att röra sig i någon form av virtuellt universum och interagera med den virtuella miljön. Det är oklart exakt hur de tänker men jag är övertygad om att vi kommer att se någon form av sådana här mo-cap-system som är bärbara och jag tror att det är sociala medie-företag och underhållnings-, spel- och filmbranschen som driver utvecklingen framåt, säger Marianne Gullberg.

Försvarsmakten: Stora behov i underrättelseanalys
Från Försvarsmakten är bedömningen att motion capture-tekniken kan vara intressant. Det ena gäller det som nämns ovan kopplat till träning och övning i olika virtuella miljöer. Vid sidan av det ser myndigheten också ett möjligt intresse på teknikområdet i de fall den skulle kunna användas utan markörer. Ett skäl till det är att Försvarsmakten bedömer att det framöver kommer att finnas betydligt fler sensorer som myndigheten har tillgång till.
– En viktig del blir då att översätta den enorma mängden inkommande data till information. Och då kan det här vara ett verktyg. Det kanske är en kamera som spanar efter drönare som ska känna igen olika mönster, säger Rickard Stridh, forskningschef på Försvarsmakten.

Och när det gäller bildanalys överhuvudtaget ser Stridh att behoven är, och kommer att bli stora för försvars- och säkerhetsmyndigheter framöver.
– Inte minst inom underrättelseanalysen, där det handlar om att kunna känna igen olika mönster. Det behöver inte vara en människa, det kan vara ett fordon eller något annat som finns i en bild, säger Rickard Stridh.