Uvod
Globalizacija povzroča večjo konkurenco, večji gospodarski pritisk, več prestrukturiranja, povečanje negotovosti, povečanje intenzivnosti dela ter časovne pritiske na delovnem mestu. Kljub vsem vrstam priložnosti in povečanju produktivnosti, ki jih tehnologija in nove oblike dela ponujajo, lahko to vodi do slabega ravnovesja med poklicnim in zasebnim življenjem, izpostavljajo Houtman in sodelavci[1]. Predvsem se pojavljajo pritiski na delovno silo zaradi večje kompleksnosti delovnih nalog, ki zahtevajo vseživljenjsko učenje za zagotovitev zaposljivosti. Izpostavljenost okoljskim stresorjem lahko prispeva k večjemu tveganju za zdravje in varnost. Posebno pozornost je potrebno nameniti biomehanskim, ergonomskim in psihosocialnim tveganjem, ki posamezno ali v kombinaciji povzročajo kostno-mišična obolenja[1]. Kostno-mišična obolenja so najpogostejša z delom povezana težava v Evropi in prizadenejo mišice, kosti, sklepe, vezi, kite, živce in periferni krvni obtok. Kostno-mišična obolenja se pojavljajo predvsem na hrbtenici, vratu, ramenih, zgornjih udih in pa tudi na spodnjih udih. Najpogostejši dejavniki za nastanek kostno-mišičnih obolenj so ročno premeščanje bremen, ponavljajoči se gibi, zvijanje, prepogibanje, utrujajoče pozicije in delo v ekstremnih toplotnih pogojih. Premeščanje bremen vključuje aktivnosti dvigovanja, držanja, odlaganja, potiskanja, vlečenja, prenašanja ali premikanja bremena. Velik vpliv za razvoj bolezni imajo tudi stres, hiter ritem dela, hrup ter vibracije[2]. Po poročanju Eurofonda[3] je več kot 30 % delovne populacije v Evropski uniji (EU) še vedno izpostavljeno fizičnim naporom, ki so povezani z ročnim premeščanjem bremen. Kar 63 % delavcev opravlja delo, ki vključuje ponavljajoče se gibe ali utrujajoče, za kostno-mišično zdravje potencialno nevarne položaje, 40 % delavcev v EU pa poroča o bolečinah v spodnjem delu hrbta, vratu in ramenih[4]. Prednostni pristop za zmanjšanje izpostavljenosti dejavnikom tveganja za obolenja kostno-mišičnega sistema je zmanjšati tveganje s tehničnimi rešitvami ali spremembami procesa, npr. z zmanjšanjem teže delovnih orodij, materialov ali z ergonomsko ureditvijo delovnih mest. Razvijajo pa se tudi številni pripomočki za industrijo, ki podpirajo gibanje rok in drugih delov kostno-mišičnega sistema, med njimi tudi eksoskeletni sistemi[5]. V zadnjem času ima pri vpeljevanju novih tehnologij v industrijo velik pomen interakcija med robotskim sistemom in človekom. Popolna avtomatizacija procesov in odstranitev človeka iz tveganih delovnih procesov bi pomenila zmanjšanje pojavljanja kostno-mišičnih obolenj med delavci v industriji. To ni vedno izvedljivo, npr. iz praktičnih ali ekonomskih razlogov, nenazadnje je v proizvodnih procesih človeška sposobnost opazovanja, odločanja in pravočasnega reagiranja še vedno nepogrešljiva. Eksoskeleti so lahko nova uporabna tehnologija za pomoč delavcem pri fizičnih delih, saj so namenjeni temu, da uporabnikom zagotovijo dodatno moč, večjo vzdržljivost za naloge, ki zahtevajo ponavljajoče se gibe, boljšo mobilnost in oporo. Tako bi lahko v industrijskih okoljih preprečevali poškodbe in posledično izboljšali zdravje, varnost in dobro počutje delavcev. Eksoskeleti ponujajo rešitev za naloge premeščanja bremen, saj jih odlikujejo lastnosti, zaradi katerih imajo prednost pri implementaciji pred kateremkoli drugim tipom robotov (celotno avtomatizirani sistemi, klasični roboti, humanoidni roboti,…). Glavna prednost je ravno ta, da bi v dinamičnih okoljih človek še vedno prispeval svoje veščine in znanja, pri tem pa bi imel popolni nadzor nad svojim delom, hkrati pa ne bi bilo potrebe po programiranju in učenju robotskih sistemov[6][7].
Definicija in vrste eksoskeletov
Izraz »eksoskelet« je trenutno prevladujoča beseda, ki opisuje nosljive sisteme (ang. wearables), ki zagotavljajo določeno fizično interakcijo z osebo, ki jo nosi. Eksoskelet lahko fizično spodbudi, namerno omeji določene gibe ali podpre težo predmeta, ki bi ga uporabnik sicer moral sam podpreti. Definicija eksoskeletov se spreminja sočasno z razvojem te tehnološke veje. Izraz, ki je bil v preteklosti priljubljen za opis industrije eksoskeletov je biomehatronika, ki združuje biologijo, strojno inženirstvo in elektrotehniko. Industrijo eksoskeletov zdaj s tako imenovanimi pasivnimi eksoskeleti umeščamo v prekrivajoče se območje med biologijo in mehaniko - biomehaniko. Eksoskelete, ki vključujejo tudi elektroniko in ležijo na prehodu vseh treh disciplin, uvrščamo med aktivne eksoskelete[8]. Aktivni eksoskeleti so sestavljeni iz enega ali več električnih, hidravličnih ali pnevmatskih aktuatorjev (komponente za mehanski pogon), ki podpirajo sklepe in povečujejo moč uporabnika. Sistem pri pasivnih eksoskeletih ne uporablja nobenega tipa pogona, temveč uporablja materiale, vzmeti ali blažilnike, ki lahko shranjujejo energijo, pridobljeno z gibanjem telesa. Ta energija se potem porabi za podporo pri drži ali izvajanju različnih opravil. Pasivni eksoskeleti so zasnovani tudi za prerazporeditev teže bremen in blaženje vibracij. Eksoskeleti so razvrščeni v tri različne skupine glede na to, kateremu področju telesa so namenjeni. Poznamo eksoskelete, namenjene zgornjemu delu telesa, ki se osredotočajo na hrbet, roke in ramena, eksoskelete za spodnji del telesa in eksoskelete, ki združujejo funkcije za podporo tako zgornjega kot tudi spodnjega dela telesa[9][10].
Trendi uporabe
ReportsnReports[11] poroča o 45 % širjenju globalnega trga industrije eksoskeletov do leta 2023. Trg naj bi tako dosegel vrednost 2,47 milijarde evrov. To rast se lahko pripiše vse večjemu povpraševanju zdravstvenega sektorja za rehabilitacijo s pomočjo robotske tehnologije, napredek v robotskih tehnologijah in ogromne naložbe za razvoj tehnologije eksoskeletov. Kljub temu, da se največ eksoskeletov razvija za zdravstveni sektor, pa je mogoče opaziti velik interes za uporabo eksoskeletov v industriji, vojaškem sektorju in za komercialne namene, npr. za preprečevanje poškodb pri športnih aktivnostih. Predvideva se, da se bodo eksoskeleti uveljavili tako v sektorjih, kjer je za opravljanje nalog potrebna velika fizična moč npr. gradbeništvo, kmetijstvo in gozdarstvo, kot tudi v sektorjih, kjer se opravlja bolj precizne, fizično manj zahtevne naloge npr. v operacijskih sobah[8]. Ker je razvoj eksoskeletne industrije hiter, ustvarjalci zakonodaje, standardov in kodeksov dobre prakse težko dohajajo vse spremembe in novonastajajoča tveganja[12]. Posledično za zdaj še ni na voljo mednarodnih varnostnih standardov za uporabo eksoskeletov v industrijskem okolju, kar bistveno omejuje njihovo širšo uporabo[7].
Na Japonskem so razvili eksoskelet Power Assist Suit za medicinske sestre in negovalce, ki naj bi pomagal pri dvigovanju pacientov z postelje[13]. V zdravstvenem sektorju pa so tudi kirurgi tisti, ki bi lahko uporabljali eksoskelete pri svojem delu. Tako je bil za kirurge razvit eksoskelet Personal Assistive Device (PED) z namenom zmanjševanja utrujenosti in bolečin v vratu pri operacijah[14]. V literaturi je moč zaslediti, da pozitiven odnos do implementacije eksoskeletov v delovno okolje prihaja večinoma iz avtomobilske industrije, kjer podjetja BMW, Ford in Hyundai preizkušajo in uvajajo eksoskelete in podobne robotske naprave v svoje proizvodne procese[15][16]. Ford je v letu 2017 testiral 4 eksoskelete EksoVest. Gre za pasivne eksoskeletne telovnike, ki delavcem zagotavljajo podporo za opravljanje del, ki zahtevajo položaj rok nad rameni, specifično za montiranje delov na avtomobile, ko so le ti na traku nad delavci. Po 16 mesecih testiranja je podjetje naročilo še 75 EksoVest telovnikov, kar predstavlja največjo implementacijo eksoskeletov v industrijsko okolje do sedaj[16].
Metodologija in rezultati
V raziskavi so predstavljeni eksoskeleti, razviti
za industrijske namene in ocenjeni učinki le teh na zmanjšanje kostno-mišičnih obolenj. Raziskava je temeljila na dveh sistematičnih pregledih znanstvene in strokovne literature in predstavitvi teoretičnega ozadja. Iskanje literature je potekalo med 15. 10. 2018 in 15. 12. 2018. V pregled so bile vključene naslednje baze: Google, Google učenjak, ResearchGate in ScienceDirect. Iskanje je potekalo pod različnimi ključnimi besedami v angleškem jeziku: exoskeleton, industry, musculoskeletal disorders, assistive device in ergonomy. V analizo literature je bil vkjučen nabor 22-ih člankov, ki pokrivajo področje industrijskih eksoskeletov in njihovih učinkov na človeško telo. Številni avtorji so v zadnjih petih letih poskušali oblikovati sistematski pregled eksoskeletov, predstaviti njihove značilnosti in naloge, za katere so namenjeni. Pri pregledu literature smo ugotovili, da se sistematski pregledi eksoskeletov večinoma nanašajo na temo rehabilitacijskih eksoskeletov, ki pa niso predmet obravnave. Osredotočili smo se na dva aktualna sistematska pregleda industrijskih eksoskeletov avtorjev Wesslén[1] in Looze idr.[7]. Podatki o identificiranih eksoskeletih so zbrani v tabeli 1.
Wesslén[17] je identificiral 24 eksoskeletnih sistemov, ki so na voljo za uporabo v industriji. Najpogostejši identificirani tip eksoskeletov je bil pasivni – 14 eksoskeletov, 8 eksoskeletov je bilo aktivnega tipa, 2 eksoskeleta pa sta imela pol-aktivni sistem. Izmed identificiranih eksoskeletov je bilo največ razvitih za podporo zgornjega dela telesa (18 eksoskeletov). Najpogostejše naloge za katere so bili eksoskeleti razviti so podpora pri dinamičnem dvigovanju in spuščanju bremen. Identificirani eksoskeleti omogočajo podporo telesu pri nošenju bremena, čepenju, statični drži, hoji, ponavljajočih gibih rok, delu z orodji in delu, kjer je položaj rok nad rameni.
Looze idr.[7] so identificirali 26 eksoskeletov, 20 jih je bilo razvitih za podporo zgornjega dela telesa, 4 za celotno telo in 2 za spodnji del telesa. V nasprotju z Wesslén[17] pa je bilo največ identificiranih eksoskeletov aktivnih (19 eksoskeletov), 7 pa jih je imelo pasivni sistem delovanja. Za polovico identificiranih eksoskeletov so bile izvedene študije, ki so preučevale učinke le teh na telo. Poskusi so bili izvedeni v dveh obravnavanjih – z in brez eksoskeleta. Večina izvedenih testov je zajemala majhen vzorec od enega do treh uporabnikov. Statistično vrednotenje fizioloških in biomehanskih učinkov eksoskeletov je bilo izvedeno le za 5 identificiranih eksoskeletov: Personal Agumentive Lifting Device (PLAD), Muscle suit, Bending Non-Demand Return (BNDR), Happyback in Bendezy. Pomembno je izpostaviti, da so vse študije potekale v laboratorijskem okolju, z izjemo vrednotenja eksoskeleta PLAD. Preiskovani fiziološki parametri so vključevali mišično aktivnost (napor) v hrbtu, ramenih, rokah in nogah. Podatki so bili pridobljeni z elektromiografijo (EMG), elektrodiagnostično medicinsko tehniko za ocenjevanje in beleženje električne aktivnosti, ki jo povzročajo skeletne mišice. Preučevalo se je tudi biomehanske parametre, ki so vključevali obremenitev hrbta, izraženo z ocenjenim neto navorom na sklepe, pritiski na hrbtenico in delovanjem strižnih sil na ledveno ali prsno območje. Na splošno so izmerjeni fiziološki in biomehanski parametri kazali na pozitivne učinke tako pasivnih kot tudi aktivnih eksoskeletov.
Vrednotenje vpliva eksoskeleta na uporabnika
Z namenom ocenitve vpliva eksoskeletov na zmanjšanje tveganja za pojav kostno-mišičnih obolenj smo se osredotočili na šest dobro dokumentiranih eksoskeletov: PLAD, BNDR, Happyback, Bendezy, Wearable movement restoring device in Muscle Suit. Pri teh eksoskeletih je bilo ocenjeno zmanjšanje fizične obremenitve za aktivnosti dinamičnega dvigovanja bremena, statičnega zadrževanja bremena v določenem položaju in prepogibanja. Abdoli-E, Agnew in Stevenson[1] so preučevali eksoskelet PLAD, ki vsebuje elastične elemente, nameščene vzporedno z hrbtnimi mišicami erector spinae (mišice vzravnalke trupa). Eksoskelet omogoča delitev obremenitve med hrbtenico, rameni, medenico in spodnjimi okončinami. Energija se pri spuščanju/prepogibanju trupa shrani v elastičnih elementih, pri dviganju trupa pa se energija sprosti in podpre uporabnika. Posledično se mišična aktivnost, ki je potrebna za dviganje trupa, zmanjša. Številne študije potrjujejo zmanjšanje aktivnosti hrbtnih mišic med 10 in 40 % in zmanjšanje sil na ledveni predel hrbtenice za od 23 do 29 %[18][2][3]. Ulrey in Fathallah[4] sta pri eksoskeletu BNDR ugotovila, da ima le ta sposobnost zmanjševanja upogibanja trupa pri spuščanju/prepogibanju. Posledično se zmanjšanje aktivnosti hrbtnih mišic pripisuje omejevanju prepogibanja trupa in ne prenosu sil na druge dele telesa. Dodatni študiji vpliva pasivnih eksoskeletov PLAD in BNDR na aktivnost prepogibanja trupa sta pokazali zmanjšanje aktivnosti hrbtnih mišic za od 10 do 25 % in zmanjšanje obremenitve na ledveni predel hrbtenice do 13 %[5][21]. Barret in Fathallah[6] sta opisala učinke eksoskeletov BNDR, HappyBack in Bendezy med upogibanjem trupa. Ti trije pasivni eksoskeleti so se razlikovali glede uporabljenih materialov in mehanizmov delovanja, vendar pa so vsi pokazali pozitivne učinke, zmanjšanja mišične aktivnosti ki so se gibali od 21 do 31 % za hrbtne mišice[23]. Wehner, Rempel in Kazerooni[7] so za eksoskelet Wearable movement restoring device opravili test ponavljajočega dviganja 4,5 in 13,5 kg uteži. Ugotovili so, da se pri dvigovanju uteži z eksoskeletom aktivnost mišic erector spinae zmanjša za od 44 do 54 %, obremenitev na ledveni predel hrbtenice pa od 36 do 60 %. Pozitivni učinki so bili opaženi tudi pri aktivnih eksoskeletih. Aktivni eksoskeleti vplivajo na zmanjšanje mišične aktivnosti tudi do 80 % za hrbtne mišice[8]. Dobro raziskani so učinki eksoskeleta Muscle Suit, ki pokriva stegna, trup in roke, namenjen pa je podpori pri gibanju ramen, komolcev in trupa. Eksperimenti so pokazali zmanjšanje mišične aktivnosti za širok spekter mišic na območju zgornjega dela telesa. Pri dinamičnem dvigovanju bremen se je aktivnost deltoidne mišice zmanjšala za od 20 do 35 %, za mišice zapestja pa od 40 do 65 %. Pri statičnem držanju bremen nad višino ramen se je mišična aktivnost za dvoglavo nadlaktno mišico zmanjšala od 30 do 70 % in tapezasto mišico od 40 do 70 %[9][7].
Kljub pozitivnim učinkom pa še vedno ni natančno znano, kako se sile razporedijo po telesu, medtem ko uporabnik nosi eksoskelet. Dvome glede varnosti uporabe eksoskeletov vzbujajo študije, ki so pokazale, da lahko zagotavljanje razbremenitve določene mišice ali sklepa povzroči prekomerno obremenitev drugih mišic ali sklepov[27][10]. Spinal News International[11] poroča o poskusu z eksoskeletom, kjer je bilo ročno orodje podprto z mehansko roko, ki je težo orodja prenesla na pas, podoben telovniku. Udeleženci so morali z orodjem zategovati vijake nekaj ur, medtem ko so se izvajale meritve obremenitev na hrbet in mišice. Rezultati so pokazali, da je nošenje eksoskeleta povečalo obremenitve na različnih mišicah trupa in hrbtenici od 50 do 120%. Ta eksoskelet je namenjen razbremenitvi rok, toda vsa teža orodja, mehanske roke in telovnika se nato prenese na različna mesta zgornjega dela telesa. Predvideva se, da bi bile obremenitve še večje, če bi moral človek nositi zgoraj omenjeni eksoskelet celotno izmeno, dan za dnem. Za pasivne eksoskelete Happyback, Bendenzy, BNDR in PLAD je bila opažena povečana aktivnost mišic v nogah, še posebej obremenjena je bila prednja golenčna mišica[23][21][20]. V literaturi smo zasledili pomisleke glede vpliva teže eksoskeleta, ki lahko potencialno poveča porabo energije in kisika, vendar so številne študije to predpostavko ovrgle[20][25][12]. Predpostavlja se tudi, da ima lahko trajna podpora mišic pri opravljanju dela s pomočjo aktivnega eksoskeleta negativne dolgoročne posledice na kostno-mišični sistem, saj se zaradi zmanjšanja aktivnosti mišic zmanjša njihova masa in posledično fizična moč[7].
Ergonomski in psihosocialni izzivi
Potrebno se je zavedati, da niso samo fiziološki in biomehanični učinki eksoskeletov tisti, ki pomembno vplivajo na implementacijo eksoskeletov v delovno okolje. Tako moramo upoštevati tudi ergonomske in psihosocialne dejavnike. Eksoskelet je oblazinjen in je na uporabnika na več mestih pritrjen s trakovi. Ker se ljudje zelo razlikujejo po velikosti in obliki, je za proizvajalce izziv oblikovati eksoskelet, ki bo ergonomski in ga bo lahko uporabnik pravilno namestil na telo za varno uporabo. Pomisleki glede uporabe se nanašajo na subjektivno zaznavanje lokaliziranega nelagodja, predvsem na območju ramen in kolen. Nelagodnje spodbudi uporabnika, da prilagodi položaj eksoskeleta svojemu telesu, da bo le ta čim manj moteč. Pri tem tvega morebitne poškodbe sklepov in poškodbe kože zaradi morebitne nepravilne uporabe. Večje kot je nelagodje, manj verjetno je, da bo uporabnik želel uporabljati eksoskelet[13]. Eksoskelet na določen način spremeni gibanje, kar olajša dviganje težkih bremen, vendar je težje narediti preproste gibe, kot je npr. dviganje rok. Današnji eksoskeleti niso dovolj inteligentni, da bi lahko predvidevali gibanje uporabnika in tako sinhrono omogočali pomoč v skladu z njegovo namero. Posledično obstaja nevarnost za zdrse, padce in trčenje z drugimi delavci[27].
Zaradi pomanjkanja praktičnih izkušenj in študij, ki bi preučevale vpliv eksoskeletov na človeka v delovnem okolju z vidika odnosa in sprejemanja novih tehnologij, se izpostavlja tudi številna etična vprašanja. Narašča strah, da bi se lahko eksoskeleti zlorabili, npr. eksoskeleti v proizvodni industriji bi ljudem pomagali, da ne bi bili tako fizično utrujeni, vendar bi posledično lahko delali dlje, kar bi predstavljalo nova tveganja povezana s psihično utrujenostjo[14]. Cene eksoskeletov za industrijo se gibljejo nekje od 250 do 30.000 €, odvisno od kompleksnosti sistema[17]. Pri tem se poraja vprašanje, ali bodo podjetja, predvsem majhna, finančno zmogla kupiti eksoskelete za vse svoje delavce ali pa bo na voljo le določeno število eksoskeletov in jih ne bodo mogli uporabljati vsi delavci. Posledično obstaja tveganje za ustvarjanje neenakopravnega položaja delavcev, saj bodo pri enih tveganja za kostno-mišična obolenja zmanjšana, pri drugih pa ne[15].
Zaključki
Globalni trg industrije eksoskeletov se širi in tehnologija eksoskeletov spreminja industrijsko okolje, kar bo imelo pomembne posledice za varnost in zdravje delavcev. Eksoskeleti so lahko nova tehnološka rešitev za pomoč delavcem pri fizičnih delih saj obljubljajo preprečevanje kostno-mišičnih obolenj, ki so povezana z ročnim premeščanjem bremen, ponavljajočimi se gibi, zvijanjem, prepogibanjem in utrujajočimi pozicijami telesa. Pri obravnavi literature smo identificirali dva prevladujoča tipa eksoskeletov, razvita za uporabo v industriji: aktivni in pasivni. Eksoskeleti so razvrščeni v tri različne skupine glede na to, kateri del telesa se aktivira ali napaja iz nosljive naprave: celo telo, zgornji ali spodnji del telesa. Obravnavane študije so ovrednotile učinke na fizično obremenitev telesa pri čemer je bilo potrjeno, da obstajajo koristi od uporabe eksoskeletov. Pasivni industrijski eksoskeleti so namenjeni podpori in razbremenitvi spodnjega dela hrbta in rezultati številnih študij kažejo pozitivne učinke pri aktivnosti dinamičnega dvigovanja bremena, statičnega zadrževanja bremena v določenem položaju in prepogibanja. Aktivni eksoskeleti imajo v primerjavi s pasivni eksoskeleti večji potencial za zmanjšanje mišične aktivnosti po celem telesu. Poleg pozitivnih učinkov pa so bili opaženi tudi nekateri negativni učinki, povezani z eksoskeleti, ki vzbujajo pomisleke glede implementacije eksoskeletov v industrijsko okolje. Zagotavljanje razbremenitve določene mišice ali sklepa lahko povzroči prekomerno obremenitev drugih mišic ali sklepov. Pri aktivnih eksoskeletih, ki trajno podpirajo mišice pri delu, pa obstaja tveganje za zmanjšanje mišične mase in posledično mišične moči. Ergonomski izzivi pri pasivnih in aktivnih eksoskeletih so nelagodje, teža naprave, (ne)usklajenost s človeško anatomijo in kinematiko ter omejitve pri predvidevanju namenov uporabnika. Pomanjkanje študij, ki bi preučevale psihosocialne učinke eksoskeletov na delavce, povzroča zaskrbljenost za varnost in zdravje. Večina študij je bila izvedena v laboratoriju, zato predlagamo raziskave s katerimi bomo pridobiti čim več praktičnih informacij o sprejemanju eksoskeletov med delavci in dolgoročnih vplivih uporabe. Praktične informacije za zdaj prihajajo iz avtomobilske industrije, kjer je implementacija eksoskeletov v proizvodnih procesih izmed vseh sektorjev najvišja. Drugi sektorji, kjer se pričakuje, da bodo eksoskeleti koristni, so: gradbeništvo, kmetijstvo, gozdarstvo in zdravstveno varstvo. Kljub velikemu interesu za implementacijo eksoskeletov v industrijo, pa pomanjkanje ustrezne zakonodaje, varnostnih standardov ter druga tehnična vprašanja omejujejo njihovo širšo uporabo.
