Μελέτη των λειτουργικών αντιφάσεων της καθιστής στάσης σώματος για την ανάπτυξη ευφυών συστημάτων

Διπλωματική Εργασία Μελέτη των λειτουργικών αντιφάσεων της καθιστής στάσης σώματος για την ανάπτυξη ευφυών συστημάτων Βασιλική Τσακνάκη Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων Σύρος, 2011 1

2

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΘΕΜΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Μελέτη των λειτουργικών αντιφάσεων της καθιστής στάσης σώματος για την ανάπτυξη ευφυών συστημάτων ΤΣΑΚΝΑΚΗ ΒΑΣΙΛΙΚΗ A.M. 511/2005048 Επιβλέπων καθηγητής Παπακωστόπουλος Βασίλης Μέλη τριμελούς επιτροπής: Παπακωστόπουλος Βασίλης Σταυράκης Μόδεστος Παπανίκος Παρασκευάς Ερμούπολη-Σύρος, 2011 3

Αντί προλόγου: «Καθώς οι νέες τεχνολογικές εξελίξεις μεταβάλλουν το προϊόν και το μετατρέπουν σε ευφυές, το τοποθετούν αυτομάτως σε ένα επίπεδο το οποίο δε διαθέτει προηγούμενες πολιτισμικές αναφορές [...] Παρόλο που οι φυσικές ιδιότητες των προϊόντων αυτών παραμένουν στο γνωστό χώρο των αντικειμένων, η χρήση τους και η ύπαρξή τους είναι κάτι παραπάνω από τη διαχείριση της ύλης και της φόρμας τους, αλλά σχετίζεται περισσότερο με ανταλλαγή πληροφοριών.» E. Manzini, The material of Invention, 1986 4

Ευχαριστίες: Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τη μητέρα και την αδερφή μου για την υποστήριξή τους, τόσο κατά τη διάρκεια εκπόνησης της Διπλωματικής μου εργασίας όσο και καθόλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Παπακωστόπουλο Βασίλη για την καθοδήγηση, αλλά και για την υπομονή του προκειμένου να ολοκληρωθεί αυτή η εργασία. Ευχαριστώ τον κ. Σταυράκη Μόδεστο και τον κ. Παπανίκο Παρασκευά, μέλη της τριμελούς επιτροπής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τις φίλες μου Λία και Έλενα για τη πολύτιμη βοήθειά τους. Τέλος, τον χρήστη toyfact, για τις μουσικές λίστες του, που με συντρόφευσαν τους καλοκαιρινούς μήνες, δουλεύοντας τη Διπλωματική μου εργασία. 5

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Εισαγωγή 8 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ 10 Κεφάλαιο 1: Κατανόηση της πολυπλοκότητας του προβλήματος 11 1.1 Το φαινόμενο της «λειτουργικής αντίφασης» 11 1.2 Η επίλυση των λειτουργικών αντιφάσεων σε καθιστή θέση 12 1.3 Κυβερνητικό μοντέλο ανάλυσης των λειτουργικών αντιφάσεων 17 1.4 Εναλλακτικός τρόπος προσέγγισης του προβλήματος σε καθιστή θέση- Ευφυές φορετό σύστημα 18 Κεφάλαιο 2: Ανατομία ανθρώπινου σώματος και καθιστή θέση 20 2.1 Η εξέλιξη της δίποδης βάδισης στον Homo Sapiens 20 2.2 Η δομή και η λειτουργία της σπονδυλικής στήλης 24 2.3 Μεσοσπονδύλιοι δίσκοι 26 2.4 Η αυχενική μοίρα 28 2.5 Λεκάνη και οσφυϊκή μοίρα 30 Κεφάλαιο 3: Προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό της «ορθής» στάσης σώματος, σε καθιστή θέση 35 3.1 Η φαινομενικά «ορθή» στάση σώματος 35 3.2 Διερεύνηση της «καταλληλότητας» μιας στάσης σώματος 36 3.3 Γωνίες άνεσης σώματος σε καθιστή θέση 39 Κεφάλαιο 4: Απαιτήσεις μυο-σκελετικού συστήματος σε καθιστή θέση 42 4.1 Μυο-σκελετικές καταπονήσεις σε καθιστή θέση 42 4.2 Χάρτης λειτουργικών αντιφάσεων 51 ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ 54 Κεφάλαιο 5: Μέθοδος 55 5.1 Σχεδιασμός έρευνας 55 5.2 Συμμετέχοντες 55 5.3 Υλικό και εξοπλισμός 55 5.4 Διαδικασία 56 Κεφάλαιο 6: Αποτελέσματα 57 6.1 Επεξεργασία δεδομένων 57 6.2 Ανάλυση Δεδομένων 59 Κεφάλαιο 7: Συζήτηση 74 ΜΕΡΟΣ ΤΡΙΤΟ 79 Κεφάλαιο 8: Ευφυή τεχνολογικά συστήματα και φορετή τεχνολογία 80 8.1 Ορισμός ευφυίας σε επίπεδο υλικού-υφάσματος-ρούχου 80 8.2 Νανοτεχνολογία και μικρο-ίνες 82 8.2.1 Υλικά μνήμης σχήματος (shape memory materials) 82 8.3 Ευφυή φορετά ηλεκτρονικά συστήματα (Smart wearable electronics) 89 8.4 Κατασκευή αισθητήρων για λήψη δεδομένων σύμφωνα με εναλλαγές στάσεως του καθιστού 99 Βιβλιογραφικές αναφορές 109 Παράρτημα 115 6

Παράρτημα 1: Σκίτσα υιοθετούμενων στάσεων 115 Παράρτημα 2: Κατασκευή αισθητήρα πίεσης (Neoprene Bend Sensor) από τη Hannah Perner Wilson 119 Παράρτημα 3: Κώδικας για ανάγνωση δύο αναλογικών «εισόδων» από τον μικροεπεξεργαστή Arduino (από τον Tom Igor) 124 Παράρτημα 4: Κώδικας για οπτικοποίηση δύο αναλογικών «εισόδων» μέσω του περιβάλλοντος προγραμματισμού Processing (από τον Tom Igor) 125 7

Εισαγωγή Η μετάβαση του ανθρώπου από την τετράποδη, στη δίποδη βάδιση, κατέστη δυνατή μέσα από σημαντικές εξελικτικές αλλαγές στην ανατομία της σπονδυλικής στήλης και της λεκάνης. Οι κυριότερες αλλαγές ήταν η συνοστέωση της λεκάνης και η εμφάνιση έντονης οσφυϊκής λόρδωσης, προκειμένου να υποστηρίζεται το βάρος του άνω τμήματος του σώματος, κατά την παραμονή σε όρθια θέση. Πρακτικά, για την υιοθέτηση καθιστής στάσης σώματος από τον άνθρωπο, είναι αναγκαία η περιστροφή της λεκάνης, και κατ επέκταση η αλλαγή της καμπύλης της σπονδυλικής στήλης, με συνέπεια, την απώλεια της οσφυϊκής λόρδωσης και την εμφάνιση κύφωσης. Τα παραπάνω φυσικά γεγονότα, σε συνδυασμό με το σύγχρονο, αφύσικο, τρόπο ζωής, την απαίτηση δηλαδή πολύωρης παραμονής των ανθρώπων σε καθιστή θέση, τόσο στο εργασιακό περιβάλλον όσο και κατά τον ελεύθερο χρόνου τους, έχουν ως συνέπεια την ανάδυση μιας νέας ισορροπίας στη διάταξη των μελών του σώματος. Η κατάσταση της νέας ισορροπίας είναι προϊόν της ανάγκης επίλυσης των «λειτουργικών αντιφάσεων» που προκύπτουν λόγω της υιοθέτησης καθιστής θέσης, και αφορούν την ανάγκη για ταυτόχρονη ικανοποίηση τόσο της σκελετικής, όσο και της μυϊκής καταπόνησης που υφίσταται ο καθίμενος. Στο βαθμό που η επίλυση των «λειτουργικών αντιφάσεων» κατά την παραμονή σε καθιστή στάση σώματος, τείνει προς την κατεύθυνση μείωσης της υφιστάμενης μυϊκής φόρτισης, για την οποία υπάρχει άμεση ανατροφοδότηση, εις βάρος της μείωσης της πίεσης του σκελετικού συστήματος, οδηγεί στην υιοθέτηση μίας «βυθισμένης» στάσης σώματος, η οποία, σε βάθος χρόνου, συμβάλλει στην εμφάνιση συσσωρευτικών μικρο- τραυματισμών (cumulative trauma disorders) του μυο- σκελετικού συστήματος του ανθρώπου και ιδιαίτερα της οσφυϊκής περιοχής. Οι μέχρι σήμερα προσεγγίσεις επίλυσης, ή έστω ελαχιστοποίησης, του παραπάνω προβλήματος, κυρίως μέσω του σχεδιασμού καθισμάτων εργασίας, τείνουν προς την κατεύθυνση, είτε του υπερ- προσδιορισμού της στάσης σώματος των καθίμενων είτε του διακλειδώματος των μελων του σώματος. Σε ελάχιστες μόνο περιπτώσεις, τείνουν προς την κατεύθυνση υποστήριξης της διαρκούς κίνησης των μελών του σώματος. Ο επιδιωκόμενος στόχος σε κάθε περίπτωση, είναι η επίτευξη ενός βέλτιστου ισοζυγίου μεταξύ των παραπάνω αντικρουόμενων απαιτήσεων, για τη διασφάλιση της καλής λειτουργίας του σώματος. Ωστόσο, «λειτουργικές αντιφάσεις» δεν εντοπίζονται μόνο στο επίπεδο αναγκών του σώματος, αλλά επίσης στο επίπεδο απαιτήσεων του επιτελούμενου έργου. Η ανάγκη προσαρμογής της στάσης σώματος του καθήμενου, λόγω του επιτελούμενου έργου, και κυρίως η εμβύθιση του καθήμενου σε αυτό, λόγω του παραγόμενου αποτελέσματος, έχουν ως αποτέλεσμα την παράταση παραμονής του σε μία συγκεκριμένη στάση σώματος για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σε αυτή 8

την περίπτωση το δυνητικό όφελος που θα μπορούσε να παρέχει ένα κάθισμα εργασίας δεν υφίσταται. Ένας εναλλακτικός τρόπος προσέγγισης του προβλήματος θα ήταν ο σχεδιασμός ενός ευφυούς συστήματος, το οποίο μέσω συνεχούς ελέγχου (monitoring) θα λάμβανε δεδομένα ως προς τις υιοθετούμενες στάσεις σώματος του καθιστού, αλλά και το χρόνο παραμονής σε αυτές (είσοδοι) και θα προέβαινε σε συγκεκριμένη, κατά περίπτωση, δράση (έξοδοι). Στόχος θα ήταν η μείωση της συσσωρευτικής καταπόνησης του σώματος εξαιτίας της παραμονής του καθήμενου σε μια συγκεκριμένη στάση για μεγάλο χρονικό διάστημα, και η υπενθύμιση, ή προτροπή του για ανάληψη δράσης (διάλλειμμα, αλλαγή στάσης κ.λ.π). Προκειμένου να αναπτυχθεί και να σχεδιαστεί ένα τέτοιο ευφυές σύστημα, είναι καταρχήν αναγκαίο να προσδιοριστεί το είδος των δεδομένων που θα λαμβάνονταν ως είσοδοι από ένα ευφυές σύστημα, για την πραγματοποίηση συνεχούς ελέγχου (monitoring). Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη της συμπεριφοράς καθιστών ανθρώπων στο φυσικό τους περιβάλλον, κατά την επιτέλεση διαφορετικών έργων, με σκοπό να εξαχθούν ορισμένα συμπεράσματα σχετικά με το είδος δεδομένων που είναι αναγκαία και ικανά να παρέχουν στο σύστημα τη δυνατότητα ελέγχου και αξιολόγησης κατά πόσο οι υιοθετούμενες στάσεις σώματος είναι επιβαρυντικές ή μη. 9

ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ 10

Κεφάλαιο 1: Κατανόηση της πολυπλοκότητας του προβλήματος 1.1 Το φαινόμενο της «λειτουργικής αντίφασης» Ένα μάλλον παράδοξο φαινόμενο που παρατηρείται στη φύση είναι ότι η επιβίωση πολλών έμβιων όντων εξαρτάται από την ταυτόχρονη ικανοποίηση δύο, τουλάχιστον, αντικρουόμενων αναγκών. Ωστόσο, η ικανοποίηση της μίας ανάγκης συμβαίνει εις βάρος της ικανοποίησης της άλλης ανάγκης. Το παράδοξο αυτό φαινόμενο, είναι γνωστό ως το φαινόμενο της «λειτουργικής αντίφασης». Οι εθνολόγοι έχουν περιγράψει αρκετά τέτοια παραδείγματα «λειτουργικών αντιφάσεων», στη φύση. Όπως χαρακτηριστικά αναφέρει ο Eibl- Eibesfeldt (1981), «για ορισμένα ζώα είναι πλεονέκτημα να τρώνε σε σύντομο χρονικό διάστημα όσο πιο πολύ φαγητό μπορούνε. Έτσι όμως, δεν μπορούν να το μασήσουν καλά, και αυτό είναι μειονέκτημα. Να φάνε καλά και να μασήσουν καλά, είναι δύο ανάγκες που βρίσκονται σε αντίθεση η μια με την άλλη. Μερικά οπληφόρα έλυσαν το πρόβλημα με τον μηρυκασμό. Μερικά ψάρια έχουν στα πλευρά τους χτυπητά σημάδια, για να τα αναγνωρίζουν τα άλλα άτομα του είδους τους. Αυτά τα σημάδια, που πολλές φορές είναι αρκετά πολύχρωμα, τα προδίδουν στους εχθρούς τους, πράγμα που, για τα ψάρια που ζουν σε ανοιχτά νερά ή στο βυθό της θάλασσας όπου δεν υπάρχουν μέρη για να κρυφτούν, αποτελεί μια επικίνδυνη πολυτέλεια. Η ανάγκη να μπορούν να τα βλέπουν τα άλλα ψάρια του είδους τους, όχι όμως και οι εχθροί τους, τα οδήγησε σε διάφορους συμβιβασμούς. Μερικά ψάρια ανάπτυξαν την ικανότητα να αλλάζουνε χρώμα. Βγάζουν λαμπρούς χρωματισμούς όταν θέλουν να στείλουν σήμα σε ένα άτομο τους είδους τους, και αμέσως μετά ξαναπαίρνουν το μουντό τους χρώμα. Άλλα ψάρια πάλι φέρουν τα χτυπητά εκείνα σημάδια που χρησιμοποιούν σαν σηματοδότες, κάτω από τα πτερύγια τα οποία είναι μονίμως κλειστά και ανοίγουν μόνο όταν πρόκειται να μεταδώσουν ένα σήμα». Ανάλογες «λειτουργικές αντιφάσεις» παρατηρούνται στους ανθρώπους τόσο σε επίπεδο συμπεριφοράς, όσο και σε επίπεδο φυσιολογίας. Σε επίπεδο φυσιολογίας, τυπικό παράδειγμα «λειτουργικής αντίφασης» κατά τη μεταφορά φορτίου, είναι η διττή ανάγκη ελαχιστοποίησης αφενός της μυο- σκελετικής καταπόνησης και αφετέρου του δαπανούμενου έργου που απαιτείται. Ως βραχυπρόθεσμο αποτέλεσμα αυτής της «λειτουργικής αντίφασης» είναι η υιοθέτηση μιας επιβαρυντικής στάσης σώματος από την άποψη της εμβιομηχανικής (δηλαδή, αύξηση της πίεσης που ασκείται στον 5 ο οσφυϊκό σπόνδυλο, λόγω της αύξησης του βάρους του φορτίου που μεταφέρεται), προς όφελος της ελαχιστοποίησης του δαπανούμενου έργου (δηλαδή, μείωση της 11

κατανάλωσης οξυγόνου) που απαιτείται για την επιτέλεση του έργου (Μαρμαράς, 2011 Helander, 1995). Ένα άλλο παράδειγμα «λειτουργικής αντίφασης», κατά την επιτέλεση έργου σε καθιστή θέση, είναι η διττή ανάγκη ελαχιστοποίησης αφενός της επιβάρυνσης που υφίσταται η σπονδυλική στήλη (κυρίως στην περιοχή της οσφυϊκής μοίρας), και αφετέρου της δραστηριότητας των μυών της πλάτης (ραχιαίων, ιερονωτιαίων μυών), η οποία απαιτείται για τη συγκράτηση του κορμού σε σταθερή θέση. Το βραχυπρόθεσμο αποτέλεσμα αυτής της «λειτουργικής αντίφασης» είναι η υιοθέτηση μιας κυρτής ή «βυθισμένης» στάσης σώματος (slumped sitting posture), η οποία, παρότι είναι επιβαρυντική από την άποψη καταπόνησης της σπονδυλικής στήλης, εκλαμβάνεται ως άνετη από τον καθιστό, ακριβώς επειδή ελαχιστοποιεί τη φόρτιση των ραχιαίων μυών. 1.2 Η επίλυση των λειτουργικών αντιφάσεων σε καθιστή θέση Το κοινό σημείο όλων των παραπάνω παραδειγμάτων είναι ότι οι λύσεις που υιοθετούνται σε κάθε περίπτωση, οδηγούν στην επίτευξη μιας νέας κατάστασης εξισορρόπησης των λειτουργικών αντιφάσεων. Αυτή η νέα κατάσταση εξισορρόπησης σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. στα ψάρια) μπορεί να διατηρείται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. στην καθιστή εργασία) για ελάχιστο χρονικό διάστημα, οπότε στην τελευταία περίπτωση, είναι αναπόφευκτη η ανάγκη εκ νέου ρύθμισης της στάσης του σώματος για την επίτευξη μιας νέας κατάστασης εξισορρόπησης κοκ. Μιλώντας γενικότερα για τον σχεδιασμό, ο επιδιωκόμενος στόχος κάθε σχεδιασμού έγκειται ακριβώς στην προσπάθεια επίτευξης μιας νέας κατάστασης εξισορρόπησης των αντικρουόμενων απαιτήσεων, η οποία θα εξακολουθεί να διατηρείται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Στην περίπτωση της καθιστής εργασίας, η οποία αποτελεί και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας έρευνας, οι πιο σημαντικές και συστηματικές προσπάθειες επίλυσης των λειτουργικών αντιφάσεων που προκύπτουν λόγω της παραμονής του σώματος σε καθιστή θέση, έχουν γίνει προς την κατεύθυνση σχεδιασμού των καθισμάτων εργασίας. Ενδεικτικά, αναφέρονται τα τρία πιο αντιπροσωπευτικά παραδείγματα καθισμάτων εργασίας (Office chair, Balans chair, Aeron chair) τα οποία απηχούν, τρεις διαφορετικές σχεδιαστικές προσεγγίσεις προς την κατεύθυνση επίλυσης των λειτουργικών αντιφάσεων σε καθιστή στάση σώματος. 1.2.1 Περιορισμός κινήσεων σώματος Το κάθισμα γραφείου, όπως έχει επικρατήσει να ονομάζεται, καθώς επίσης και τα καθίσματα γενικής χρήσης (multi- purpose chairs) και άνετης θέσης (easy chair), 12

σχεδιάζονται με στόχο, αφενός, την επίτευξη της διατήρησης των τμημάτων λόρδωσης της σπονδυλικής στήλης (οσφυϊκή και αυχενική μοίρα) όπως αυτά παρατηρούνται σε όρθια στάση, και αφετέρου, την επίτευξη της ελάχιστης δυνατής φόρτισης των εμπλεκόμενων μυϊκών ομάδων για τη σταθεροποίηση του σώματος. Η προσπάθεια εξισορρόπησης των δύο παραπάνω αντικρουόμενων απαιτήσεων, επιτυγχάνεται μέσω των ακόλουθων μορφολογικών στοιχείων: το ύψος της πλάτης του καθίσματος (έως 85εκ. πάνω από την έδρα του καθίσματος), την κλίση της πλάτης του καθίσματος (105 έως 110 σε σχέση με την έδρα του καθίσματος), την προεξοχή της πλάτης του καθίσματος στο ύψος της οσφυϊκής μοίρας (12 έως 22εκ. από την έδρα του καθίσματος), την προεξοχή της πλάτης του καθίσματος στο ύψος της αυχενικής μοίρας (50 έως 70εκ. από την έδρα του καθίσματος), την κλίση της έδρας του καθίσματος σε ένα εύρος (±5 από την οριζόντια γραμμή της έδρας του καθίσματος), την καμπύλη της έδρας του καθίσματος στο εξωτερικό άκρο. Εικόνα 1.1 Πλάγια όψη καθίσματος άνετης θέσης easy chair (αριστερά) και καθίσματος γραφείου (δεξιά). Πέρα απο τις διαφοροποιήσεις μεταξύ των καθισμάτων γραφείου, ως προς τις παραπάνω διαστάσεις, άλλες σημαντικές παραλλαγές έχουν να κάνουν με τον αριθμό και το είδος ρυθμίσεων που προσφέρουν στο χρήστη. Σε κάθε περίπτωση, η λογική που διέπει τον σχεδιασμό καθισμάτων γραφείου είναι προς την κατεύθυνση της δημιουργίας μιας «κλειστής δομής», μέσα στην οποία 13

φορμάρεται το σώμα του καθήμενου. Στο βαθμό που το σώμα του καθήμενου ακολουθεί τη φόρμα της πλάτης και της έδρας του καθίσματος, τότε μπορεί να ωφεληθεί από την κατάσταση εξισορρόπησης που προκύπτει από το συγκεκριμένο σχεδιασμό. 1.2.2 Διακλείδωμα κινήσεων σώματος Μια δεύτερη σχεδιαστική προσέγγιση προς την κατεύθυνση επίλυσης των λειτουργικών αντιφάσεων που προκύπτουν λόγω της παραμονής, είναι το διακλείδωμα του σώματος σε μια επιθυμητή στάση. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το κάθισμα Balans Chair (Εικόνα 1.2), το οποίο έχει σχεδιαστεί με στόχο τη διασφάλιση της διατήρησης της οσφυϊκής λόρδωσης για όσο το δυνατό μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, κατά την επιτέλεση καθιστής εργασίας. Αυτό επιτυγχάνεται, μέσω των μορφολογικών στοιχείων του καθίσματος, δηλαδή των δύο κεκλιμένων επιφανειών στήριξης του ισχίου και των γονάτων, αντίστοιχα. Οι δύο αυτές κεκλιμένες επιφάνειες έχουν αντίθετη φορά κατεύθυνσης μεταξύ τους, διακλειδώνοντας κατ αυτό τον τρόπο το σώμα, με την έννοια ότι για την αποφυγή ολίσθησης του σώματος επιβάλλεται η υιοθέτηση ευθυτενούς, ημι- καθιστής στάσης. Εικόνα 1.2 Κάθισμα τύπου Balans (Woodham, 1997) 14

Ο Krueger (1984) μελέτησε τέσσερα διαφορετικά μοντέλα καθισμάτων Balans chair και συμπέρανε ότι η συσσωρευμένη πίεση στα γόνατα και τα κάτω άκρα είναι πολύ υψηλή, με αποτέλεσμα η παραμονή στη συγκεκριμένη θέση για μεγάλο διάστημα να είναι επίπονη. 1.2.3 Ενεργητική υποστήριξη κινήσεων σώματος Τέλος, μια τρίτη σχεδιαστική προσέγγιση είναι η ενθάρυνση εναλλαγής στάσεων σώματος και η μεγιστοποίηση της κινητικότητας του σώματος, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα τη μέγιστη επιθυμητή σταθεροποίησή του. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση των λεγόμενων δυναμικών καθισμάτων γραφείου (dynamic office chairs). Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το κάθιμα Aeron Chair (Εικόνα 1.3). Εικόνα 1.3 Κάθισμα Aeron Chair του Henry Miller Η ιδιαιτερότητα του συγκεκριμένου καθίσματος είναι ότι όλα τα μορφολογικά στοιχεία τα οποία έρχονται σε επαφή με το σώμα του καθίμενου αντιδρούν με δυναμικό τρόπο, ακολουθώντας τις μικρο- κινήσεις του σώματος και ταυτόχρονα παρέχοντας στήριξη στα μελη του σώματος που ακουμπούν σε αυτό. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός ειδικού μηχανισμού (Kinemat) που λειτουργεί ως αντίβαρο στις μικροκινήσεις των μελών του σώματος, με αποτέλεσμα κάθε στιγμή το σώμα να ισορροπεί, σχεδόν σε οποιαδήποτε στάση σώματος, και επιπλέον το βάρος του σώματος να μεταφέρεται στο κάθισμα. 15

Έτσι, για παράδειγμα, κατά την υιοθέτηση οπισθοκλινούς στάσης, η πλάτη και η έδρα του καθίσματος μετατοπίζονται ελαφρά προς τα πίσω, ασκώντας την ίδια στιγμή πίεση στην πλάτη του καθίμενου, μειώνοντας την οσφυϊκή καταπόνηση. Κατά την υιοθέτηση εμπροσθοκλινούς στάσης, η εμπρόσθια κλίση της πλάτης και της έδρας του καθίσματος απορροφά την πίεση των μηρών, διατηρώντας έτσι την ομαλή κυκλοφορία του αίματος. Επιπλέον, το ειδικό υλικό επίστρωσης Pellicle, της επιφάνειας της πλάτης και της έδρας του καθίσματος, επιτρέπει το διαμοιρασμό του βάρους σε μία μεγάλη επιφάνεια, ενώ τα υποβραχιόνια ακολουθούν με δυναμικό τρόπο τη φυσική κλίση κίνησης των χεριών. 1.2.4 Διακοπή παραμονής σε καθιστή θέση Μια τελείως διαφορετική προσέγγιση που έχει αναδυθεί από την ανάγκη πρόληψης των μυοσκελετικών προβλημάτων που αναφέρουν οι εργαζόμενοι, οι οποίοι επιτελούν πολύωρη καθιστή εργασία, είναι τα συνιστώμενα όρια μέγιστου χρόνου παραμονής σε καθιστή θέση, υπό τη μορφή άτυπων κανόνων. Υπάρχουν τουλάχιστον τρεις, ευρέως γνωστοί, άτυποι κανόνες σχετικά με το μέγιστο χρόνο παραμονής των εργαζόμενων σε καθιστή θέση: ο κανόνας των 20 λεπτών (Chartered Society of Physiotherapy, 2005), ο κανόνας των 30 λεπτών (Atlas and Deyo, 2001) και ο κανόνας των 55 λεπτών ή 5 λεπτά διάλειμμα ανά μία ώρα (Owen et al. 2009) 1. Οι Ryan et al. (2011), έλεγξαν την απήχηση που έχουν οι παραπάνω κανόνες από την άποψη του κατά πόσο είναι εφικτό να τηρούνται από τους εργαζόμενους σε πραγματικές συνθήκες εργασίας. Καταγράφοντας το μοτίβο εναλλαγών στάσεων σώματος 83 υπαλλήλων γραφείου (εργαζόμενοι φοιτητές), καθόλη τη διάρκεια της εργασίας τους, για μία εργάσιμη εβδομάδα, έδειξαν ότι, ο κανόνας των 20 και των 30 λεπτών δεν τηρήθηκε από κανένα συμμετέχοντα, καμία ημέρα της εβδομάδας. Ο κανόνας των 55 λεπτών τηρήθηκε από το 73% των συμμετεχόντων, αλλά μόλις για μια ημέρα της εβδομάδας, ενώ μόνο το 8% των συμμετεχόντων προέβαινε σε εναλλαγές καθιστής και όρθιας θέσης σύμφωνα με τον κανόνα των 55 λεπτών, καθημερινά καθόλη τη διάρκεια της εβδομάδας. 1 Οι κανόνες αυτοί δεν βασίζονται σε επιστημονικά τεκμηριωμένα αποτελέσματα, αλλά προέρχονται από την κλινική πράξη των ιατρών εργασίας για την αντιμετώπιση των αναφερόμενων προβλημάτων πόνου στη μέση από τους εργαζόμενους (Owen et al., 2009). 16

1.3 Κυβερνητικό μοντέλο ανάλυσης των λειτουργικών αντιφάσεων Όλες οι προσεγγίσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω προσδιορίζουν τις πηγές πρόκλησης των λειτουργικών αντιφάσεων στην καθιστή θέση, σε ένα μόνο επίπεδο. Στο επίπεδο της βέλτιστης εξισορρόπησης των αναγκών του σώματος για την καλή λειτουργία του. Αν λάβουμε υπόψη, ωστόσο, τη δομή του πλαισίου στο οποίο εκτυλίσσεται η ανθρώπινη δράση, και τους περιορισμούς που θέτει το αντικείμενο της ανθρώπινης δραστηριότητας, γίνεται σαφές ότι, οι πηγές πρόκλησης των λειτουργικών αντιφάσεων, μέσα στον ίδιο άνθρωπο, αναδύονται σε περισσότερα από ένα επίπεδα, όπως για παράδειγμα, συγκρούσεις στο επίπεδο εργασιακών κανόνων και προσωπικών αξιών, συγκρούσεις στο επίπεδο φυσικών ορίων και ικανοποίησης από το παραγόμενο αποτέλεσμα, κοκ. Στο βαθμό που δεν μπορούν να οριστούν οι πηγές πρόκλησης των λειτουργικών αντιφάσεων, πέρα από ένα μόνο επίπεδο, ουσιαστικά δεν μπορούμε να αναγνωρίσουμε την καταλληλότητα οποιασδήποτε προσέγγισης, με την έννοια ότι, δεν μπορούμε να αναγνωρίσουμε την νέα κατάσταση εξισορρόπησης που επιτυγχάνεται. Προς αυτή την κατεύθυνση, ένα κατάλληλο ερμηνευτικό μοντέλο, είναι το Κυβερνητικό Μοντέλο που πρότειναν οι Marmaras et al. (2008). Η βασική ιδέα του μοντέλου είναι ότι κάθε άνθρωπος, αναγνωρίζει την τρέχουσα κατάσταση ισορροπίας που βιώνει, μέσα από δύο αντίθετους κύκλους ανάδρασης (Εικόνα 1.4). Εικόνα 1.4 Σχηματική αναπαράσταση του Κυβερνητικού Μοντέλου (Προσαρμοσμένο από Marmaras et al., 2008) 17

Ο θετικός κύκλος ανάδρασης σχετίζεται με την ικανοποίηση που αντλεί ένας άνθρωπος από το παραγόμενο αποτέλεσμα του έργου που επιτελεί (π.χ. κέντημα, σχεδίαση στον Η/Υ). Όσο αυξάνεται η θετική ανάδραση από το παραγόμενο έργο τόσο αύξανεται η προσπάθεια συνέχισής του, με μεγαλύτερη αφοσίωση και συγκέντρωση. Ο αρνητικός κύκλος ανάδρασης, από την άλλη πλευρά, σχετίζεται με την επίγνωση του καθήμενου όσον αφορά τη φυσική ένταση ή πίεση που ασκείται στο σώμα του, λόγω της παρατεταμένης παραμονής του σε μία συγκεκριμένη στάση. Ωστόσο, η εμβύθισή του στο παραγόμενο έργο, συνιστά παράγοντα επιλεκτικής τύφλωσης στην καταπόνηση που υφίσταται το μυο- σκελετικό του σύστημα, τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Με άλλα λόγια, η κατεύθυνση επίλυσης της σύγκρουσης (λειτουργικής αντίφασης) είναι ένα ισοζύγιο μεταξύ του πιο ισχυρού και του πιο συχνά εμφανιζόμενου κύκλου ανάδρασης. Η πολυπλοκότητα επίλυσης αυτής της λειτουργικής αντίφασης, εντείνεται από το γεγονός ότι οι δύο κύκλοι ανάδρασης έχουν διαφορετικούς κύκλους χρόνου. Ειδικότερα, ο θετικός κύκλος ανάδρασης είναι άμεσος, σχεδόν αδιάλειπτος. Είναι εύκολο να συνδεθεί το προϊόν της ανάδρασης με τη διάταξη του συστήματος εργασίας και ο καθίμενος να προβεί σε κατάλληλες αλλαγές εάν υπάρχει κάτι που δυσχεραίνει την επίτευξη του έργου. Για παράδειγμα, εάν δεν μπορεί να φτάσει το πληκτρολόγιο επειδή είναι πολύ μακριά, θα μετακινήσει είτε το πληκτρολόγιο, είτε την καρέκλα, είτε τον αυχένα και το κεφάλι. Αντίθετα, ο αρνητικός κύκλος ανάδρασης χτίζεται σε βάθος χρόνου, και έτσι, δεν είναι πάντα εύκολο να συνδεθεί το προϊόν της ανάδρασης (π.χ. πόνος στη μέση) με τη διάταξη του συστήματος εργασίας. Επίσης, η καταπόνηση που υφίσταται το σκελετικό σύστημα δεν είναι άμεσα αντιληπτή κατά τη διάρκεια του παραγόμενου έργου. Έτσι, στην περίπτωση επιτέλεσης έργου σε καθιστή θέση, η επιλογή ικανοποίησης της ανάγκης ελαχιστοποίησης της φόρτισης των ραχιαίων μυών έναντι της ανάγκης ελαχιστοποίησης της πίεσης της οσφυϊκής μοίρας, είναι αποτέλεσμα της άμεσης ανάδρασης που δέχεται ο καθιστός για το «μούδιασμα» ή το «πιάσιμο» των ραχιαίων μυών, ενώ αντίθετα, τα αποτελέσματα της συσσωρευτικής (cumulative) καταπόνησης της οσφυϊκής μοίρας, συνήθως εμφανίζονται σε μεγαλύτερους «κύκλους χρόνου» (π.χ. έπειτα από λίγες ώρες ή ακόμη και μήνες). Για αυτό το λόγο, οι στάσεις σώματος που υιοθετούνται σε καθιστή εργασία επηρεάζονται κυρίως από τον θετικό κύκλο ανάδρασης. 1.4 Εναλλακτικός τρόπος προσέγγισης του προβλήματος σε καθιστή θέση- Ευφυές φορετό σύστημα Όπως αναφέρθηκε στις παραπάνω ενότητες, στις μέχρι σήμερα, σχεδιαστικές προσεγγίσεις, οι λειτουργικές αντιφάσεις που απορρέουν από την παραμονή σε καθιστή θέση, εντοπίζονται μόνο στο επίπεδο λειτουργιών του σώματος. 18

Αντίθετα, σύμφωνα με το κυβερνητικό μοντέλο, οι πηγές πρόκλησης των λειτουργικών αντιφάσεων εντοπίζονται στο επίπεδο λειτουργιών του σώματος σε σχέση με τη δομή και τους περιορισμούς που θέτει το αντικείμενο της δραστηριότητας. Υιοθετώντας τη συστημική θεωρία, παρατηρούμε ότι στις υφιστάμενες σχεδιαστικές προσεγγίσεις η επιδιωκόμενη εξισορρόπηση έρχεται σε αντίθεση με το δεύτερο νόμο της κυβερνητικής, το νόμο της ελάχιστης ποικιλομορφίας (Ashby, 1956). Ο νόμος αυτός υποστηρίζει ότι ο αποτελεσματικός έλεγχος ενός συστήματος είναι ανέφικτος εάν ο ελεγκτής έχει λιγότερη ποικιλία από το σύστημα το οποίο ελέγχει. Στην περίπωση των υφιστάμενων σχεδιαστικών προσεγγίσεων, ο έλεγχος του συστήματος (στάση ανθρώπινου σώματος) βασίζεται στην παραδοχή πως ο άνθρωπος φιλοξενεί το σώμα του σύμφωνα με τη μορφολογία του καθίσματος ή υπακούει στους άτυπους κανόνες για το μέγιστο χρόνο παραμονής σε καθιστή θέση, και εφόσον συμβαίνει αυτό, τότε είναι δυνατόν να καρπωθεί τα οφέλη της κάθε σχεδιαστικής λύσης. Αν για οποιοδήποτε λόγο, οι περιορισμοί που θέτει το αντικείμενο της δραστηριότητας (π.χ. ανάγνωση από βιβλίο και από Η/Υ) επηρεάζουν την κατά περίπτωση αναγκαία στάση σώματος, η προσαρμογή του ελεγκτή στη νέα κατάσταση ισορροπίας του συστήματος καθίσταται αδύνατη. Επομένως, υπάρχει η ανάγκη σαφούς προσδιορισμού της ελάχιστης ποικιλομορφίας που πρέπει να διαθέτει ένας ελεγκτής προκειμένου να προσαρμόζεται στην κατάσταση ισορροπίας του συστήματος γνωρίζοντας πως η κατάσταση αυτή ισορροπίας υποκινείται από τον θετικό κύκλο ανάδρασης και όχι από τον αρνητικό. Η αναδυόμενη τεχνολογία των «ευφυών φορετών συστημάτων» (intelligent clothing) φαίνεται να μπορεί να χρησιμοποιηθεί προς αυτή την κατεύθυνση, χωρίς να σημαίνει ότι συνιστά την αποκλειστική οδό επίλυσης. Στην παρούσα εργασία, ωστόσο, δίνεται έμφαση στις δυνατότητες που μπορούν να προσφέρουν τα «ευφυή φορετά συστήματα» και γίνεται εκτενής αναφορά των τεχνολογιών με τις οποίες μπορούν να υλοποιηθούν, στο τελευταίο μέρος. 19

Κεφάλαιο 2: Ανατομία ανθρώπινου σώματος και καθιστή θέση Για την περιγραφή των «μηχανισμών» υποστήριξης του ανθρώπινου σώματος σε μια συγκεκριμένη στάση ή κατά την πραγματοποίηση εναλλαγών στάσεων, είναι σημαντικό να αναφερθούν ορισμένα στοιχεία της ανατομίας του ανθρώπου που σχετίζονται με τη στήριξη του σώματος σε όρθια και σε καθιστή θέση. 2.1 Η εξέλιξη της δίποδης βάδισης στον Homo Sapiens Η όρθια στάση και ο δίποδος βηματισμός του ανθρώπου είναι αποτέλεσμα μακρόχνονης εξέλιξης και προσαρμογών, οι οποίες συνετέλεσαν σε συγκεκριμένες αλλαγές στο σχήμα και τη δομή του σώματος, με σκοπό να υποστηρίζεται το βάρος του άνω μέρους του σώματος από τα κάτω άκρα. Ορισμένες από τις κυριότερες ανατομικές προσαρμογές για τη μετάβαση στη δίποδη βάδιση (Robinson, 1972 McHenry και Temerin 1979 Lovejoy, 1988), παρουσιάζονται παρακάτω: Διαπλάτυνση και συνοστέωση της πυέλου (λεκάνης), προκειμένου η λεκάνη να μπορεί να παρέχει στήριξη της σπονδυλικής στήλης και να μεταφέρει το βάρος του άνω μέρους του σώματος στο έδαφος, διαμέσου των κάτω άκρων, καθώς επίσης και μείωση του μήκους των άνω άκρων και επιμήκυνση των κάτω άκρων. Συνέπεια των παραπάνω αλλαγών, είναι η μείωση του σημείου όπου βρίσκεται το κέντρο βάρους (COG) του σώματος. Επιπλέον, η διαπλάτυνση της λεκάνης έχει σκοπό να δημιουργήσει χώρο στα σπλάχνα και τα γεννητικά όργανα. Αλλαγές στη λειτουργία των γλουτιαίων μυών (Εικόνα 2.1). Στους πιθήκους, η επιτέλεση κινήσεων των κάτω άκρων επιτυγχάνεται κατά κύριο λόγο μέσω των κινήσεων του μέσου γλουτιαίου (gluteous medius) και του ελάσσονος γλουτιαίου μυός (gluteous minimus) και σε πολύ μικρότερο βαθμό μέσω των κινήσεων του μείζονος γλουτιαίου μυός (gluteous maximus). Οι μύες αυτοί είναι προσκολλημένοι στο άνω μηριαίο οστό, στην περιοχή των δύο πυελικών οστών (λεκάνη), τα οποία είναι επίπεδα, ενώ αντίθετα, στα ανθρωποειδή (συμπεριλαμβανομένου του Homo Sapiens) η πύελος περιστρέφεται προς τα εμπρός (Εικόνα 2.1C). Η περιστροφή της πυέλου προς τα εμπρός μεταθέτει τους πρόσθιους γλουτιαίους μύες σε πλευρική θέση στο σώμα και τους μετατρέπει σε απαγωγείς μύες των γοφών (hip abductors). Αντίθετα, ο μείζων γλουτιαίος παραμένει τοποθετημένος προς τα πίσω και εμφανίζει υπερτροφία. Στα ανθρωποειδή, η λειτουργία του μείζονος γλουτιαίου μυός δεν σχετίζεται πλέον με τη μετακίνηση (όπως στους πιθήκους και στα περισσότερα τετράποδα 20

θηλαστικά), αλλά με τη σταθεροποίηση του όρθιου, πλέον, κορμού και την αποφυγή πτώσης του κορμού προς τα εμπρός, κατά τη βάδιση του ανθρώπου. Ειδικότερα, κατά τον κύκλο της δίποδης βάδισης, για ένα μικρό διάστημα, η λεκάνη στηρίζεται μόνο στο ένα πόδι. Για τη σταθεροποίηση του άνω μέρος του σώματος, οι επαναπροσανατολισμένοι εμπρόσθιοι γλουτιαίοι μύες λειτουργούν ως απαγωγείς μύες των γοφών (hip abductors). Παρατηρώντας τη λεκάνη από μπροστά, οι σύνδεσμοι των γοφών λειτουργούν ως υπομόχλιο, συγκρατώντας το βάρος του άνω μέρος του σώματος και το αστήριχτο πόδι από τη μία πλευρά, το οποίο αντισταθμίζεται από τους απαγωγείς μύες των γοφών (hip abductors) που βρίσκονται στην άλλη πλευρά (Εικόνα 2.1Α). Στα ανθρωποειδή, ο αυχένας του μηριαίου οστού (femoral neck) επιμηκύνεται και η πύελος τείνει προς τα έξω, μακρυά από το κυρίως σώμα του μηριαίου οστού, για να αυξήσει το μοχλοβραχίονα των γλουτιαίων απαγωγέων μυών. Εικόνα 2.1 Ο σύνδεσμος του γοφού και η λεκάνη, σε σχέση με την υιοθετούμενη στάση. (A) Πρόσοψη της λεκάνης και του συνδέσμου του γοφού. Ο σύνδεσμος λειτουργεί ως υπομόχλιο κατά τη βάδιση. Οι εμπρόσθιοι γλουτιαίοι μύες λειτουργούν ως απαγωγείς των γοφών (hip abductors) στο υποστηριζόμενο πόδι και εξουδετερώνουν τη δύναμη που προέρχεται από τον κορμό και το αιωρούμενο πόδι. Η συγκεκριμένη δράση παρεμποδίζει τη κάμψη του κορμού προς τη μεριά του αιωρούμενου ποδιού, κατά τη διάρκεια της βάδισης. (B) Άνω όψη της λεκάνης του χιμπατζή. Τα πυελικά οστά είναι λεία και βρίσκονται σχεδόν σε μία ευθεία, ενώ οι γλουτιαίοι μύες λειτουργούν ως τανύοντες μύες. (C) Άνω όψη της λεκάνης του ανθρώπου. Τα πυελικά οστά διαθέτουν καμπύλες οι οποίες παρέχουν πλευρικά σημεία στήριξης για τους πρόσθιους γλουτιαίους μύες. Αυτό διευκολύνει τους συγκεκριμένους μύες να απάγουν το γοφό, όπως περιγράφεται και στο (Α). (D) Στάση Trendelenburg. Η εξασθένιση των εμπρόσθιων, δεξιών γλουτιαίων μυών, προκαλεί παρέκκλιση της λεκάνης προς τα δεξιά και πλευρική περιστροφή της προς τα αριστερά. Η σπονδυλική στήλη παρουσιάζει αντισταθμιστική σκολίωση με σκοπό να κρατηθεί ο κορμός σε 21

ευθεία. Αυτή η στάση παρατηρείται και στη περίπτωση που κάποιος εργάζεται σε όρθια στάση. (Bridger, 1995) Αλλαγές στο σχήμα της σπονδυλικής στήλης. Για να υιοθετήσει ένα ανθρωποειδές την όρθια στάση, ο κορμός θα πρέπει να επανατοποθετηθεί από την οριζόντια θέση που βρίσκεται σε ένα τετράποδο, στην κάθετη που βρίσκεται στο δίποδο. Αυτή η θέση δε μπορεί να υιοθετηθεί απλά με την περιστροφή της λεκάνης στο κάθετο μηριαίο οστό κατά 90 μοίρες, γιατί τότε, παρεμποδίζεται η έκταση των μηρών (femora) - που απαιτείται κατά τη βάδιση- από το ισχύο (Εικόνα 2.2). Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους οι μεγάλοι πίθηκοι δεν μπορούν να περπατήσουν εύκολα στα δύο τους πόδια. Εικόνα 2.2 Προσανατολισμός του ισχίου αναφορικά με τον σύνδεσμο του γοφού: (A) Άνθρωπος σε ευθυτενή, όρθια στάση (Β) Χιμπατζής σε ευθυτενή, όρθια στάση. (C) Ο χιμπατζής στη φυσιολογική του, τετράποδη στάση. Στο σχήμα (Β) το ισχίο παρεμποδίζει την έκταση του μηρού πέρα από την κατακόρυφο. Η σύγκριση των (Α) και (C) αποκαλύπτει τη θεμελιώδη φύση της οσφυϊκής λόρδωσης ως προσαρμογή με σκοπό τη δίποδη βάδιση (Bridger, 1995). Η εξελικτική λύση στο παραπάνω πρόβλημα ήταν η εμπρόσθια περιστροφή της λεκάνης στη περιοχή του ισχύου και η επέκταση της οσφυϊκής μοίρας, με αποτέλεσμα την εμφάνιση οσφυϊκής λόρδωσης. Η οσφυϊκή λόρδωση αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό στοιχείο για τη δυνατότητα στήριξης του άνω μέρους του σώματος σε όρθια θέση. 22