Simuleringsmodeller för in människan på det virtuella slagfältet
Soldatens förmåga en balansgång mellan för hög och låg kroppstemperatur
Av Ulf Danielsson
En jägarsoldat som ökar hastigheten från 1 m/s till 1,2 m/s när han är på fotmarsch mot stridsområdet producerar 100W mer värme om förflyttningen sker i terrängen. Han kommer att vara stridsoduglig inom 1,5 timme om tillskottet i värme inte kan avges. En soldat som skidtolkar på fjället i 10 km/h utsätts bara för liten risk för förfrysning om temperaturen är -15°C. Men om den plötsligt sjunker till -25°C vid tex passage av en dalgång ökar risken att för förfrysning till mer än 50 procent.
Till synes ganska små eller plötsliga förändringar kan allvarligt påverka soldatens prestation och hälsa. Omvänt, så kan mindre justeringar göra stor nytta. Med forskning och genom verksamheten på fältet kan en del av dessa situationer identifieras. Reglementen kan utformas för att minska risken för individen. Men antalet situationer inom totalförsvaret överskrider vida de som kan studeras praktiskt så andra metoder och tekniker måste användas. En sådan är modellering och genom att utveckla datoriserade modeller går det att förstå komplicerade förlopp som annars skulle vara svåra eller omöjliga att studera.
Nedkylning försämrar omdömet
Människans fysiska och mentala prestation påverkas av kroppens temperatur. Blir den för hög ökar risken för värmeutmattning eller kollaps samtidigt som den mentala skärpan avtrubbas. Sjunker kroppstemperaturen minskar först den finmotoriska förmågan därefter drabbas grovmotoriken. Ytterligare nedkylning påverkar omdömet. Om temperaturutvecklingen i kroppen kunde beskrivas för olika slag av stimuli, skulle det gå att väga och värdera den relativa betydelsen av individens egenskaper gentemot val av taktik och utrustning utifrån de uppsatta målen. Analysen kan identifiera vilka situationer som innebär risk för nedsatt prestation eller ohälsa men kan också föreslå ändringar i uppträdande, träning, utrustning etc.
Att pröva det oprövade
Moderniseringen av försvaret, exemplifierad av Soldat 2000, medför avsevärda förändringar som innebär att uppträdandet kommer att bli annorlunda. Allt mer diskuteras den avsuttne soldatens betydelse. För honom innebär moderniseringen större fysiska krav (se FOA-tidningen 5/6-97). Den burna vikten ökar påtagligt, dessutom blir han blir alltmer inkapslad av hjälmvisir, head-up-display, dator, batterier, GPS, personradio, skydd mot laser, IR, elektromagnetisk strålning osv. Soldatens arbete kommer tidvis att skapa mer värme samtidigt som utrustningen gör det allt svårare att göra sig av med värmen. Soldaten måste dricka mer - bara införandet av kroppsskydd mot splitter medförde, enligt simuleringsberäkningar, att ytterligare en flaska vatten går åt under ett stridsmoment. Mer svett kommer att samlas i kläderna vilket alltid är ogynnsamt, speciellt i stunder av låg aktivitet. Dessutom kan skyddsförmågan hos C-skyddande lager försämras. Hur mycket ny utrustning och ändrat uppträdande kräver i ökad fysisk kapacitet, vätskeåtgång etc kan studeras med hjälp av simulering innan förändringarna införs.
Virtual battlefield och beslutsstöd
De modeller som behövs för att förutsäga människans värmebalans kan köras i en vanlig persondator. Så simuleringar kan göras ”när behovet dyker upp” men kan även användas för utbildning inom många områden, inom totalförsvaret och men även civilt. Om inte lokal beräkningskapacitet skulle finnas kan kalkylerna göras över nätverk. Ingångsdata och beräknade resultat skulle även kunna skickas som SMS-meddelande över GSM-nätet. Med hjälp av digitala kartor i en bärbar dator kan, i fält, belastningen på den enskilde beräknas för olika val av transportsätt, förflyttningshastighet och utrustning. Om soldaten bär GPS och hjärtfrekvensklocka kan dessa data skickas via digitalradio/GSM-telefoni för beräkning av aktuell och ackumulerande termisk och fysisk belastning oberoende var i terrängen han rör sig. Det talas mycket om ”virtual battlefield” och ”future soldier”. Tekniken syftar bla till att minska behovet av storövningar. Men det virtuella slagfältet har en stor brist - människan varken fryser, svettas eller blir trött. Med simuleringsmodeller som även tar hänsyn till människan skulle realismen öka.
Generella modeller
Kroppstemperaturen bestäms av hur tungt arbetet är, hur tjocka och täta kläderna är samt klimatet. Temperaturen i ett hus påverkas också av klimatet samt av hur mycket vi eldar i pannan och hur tjock isoleringen är i väggar och tak. Både kroppen och huset har termostater som strävar att hålla temperaturen relativt konstant. Men när omständigheterna kräver mer än vad värme- eller kylanläggningen klarar fås i båda fallen okomfortabla temperaturer. De här likheterna gör att med tillgång till generella modeller kan temperaturutvecklingen simuleras för klimatet i en sjukvårdscontainer eller stridsfordon lika väl som för en soldat som genomför strid med omgruppering. Mot den här bakgrunden pågår inom FOAs avdelning för humanvetenskap, arbets- och termofysiologi, sedan några år utveckling av såväl fysikaliska som fysiologiska modeller som syftar till att belysa olika miljöers betydelse för människans funktion och prestation.
Ett klick i datorns garderob
Dunstning av svett är en viktig komponent i människans temperaturreglering. Det gör att modellering av människans värmebalans ofta är mer komplicerad än för ett hus. Transport sker både av ”torr” och ”våt” värme. En annan komplikation är att klädernas isolering ändras med både typ och grad av aktivitet. Vid varje rörelse sker omfördelning av luft inom beklädnaden på grund av att både plaggmaterial och luftspalter omväxlande komprimeras och expanderar. Så värme- och fuktmotståndet hos exempelvis fältuniform 90, sommar, minskar med 30-40 procent vid fotmarsch jämfört med stillastående. Samma rörelser i vinteruniformen med förstärkningsplagg minskar däremot inte beklädnadens egenskaper lika mycket. Skillnaden beror på antalet plagg, tjockleken på dessa och beklädnadens passform. För att kunna förutsäga fältuniformens och andra beklädnaders egenskaper har en modell utvecklats vilken gör att resurskrävande humanförsök kan begränsas till de situationer för vilka modellen inte är utvecklad eller är validerad mot.
Beklädnadsmodellen möjliggör att godtyckliga plaggkombinationer kan prövas genom att bara klicka i datorns garderob. Ändring av specifika plagg eller hela beklädnader kan göras. Så om ett bättre ytskikt i en C-stridsdräkt vägs mot att tillföra ett underställ för att förstärka skyddsförmågan kan modellen svara på hur de olika fallen påverkar beklädnadens termiska egenskaper.
Modellering av värmebalansen
Att värdera påståendet att 50-70 procent av kroppens värmeproduktion försvinner via huvudet om ingen mössa bärs kräver dock att klimat- och fysiologiska modeller inkluderas. Under varma eller komfortabla förhållanden är den termofysiologiska modellen relativt enkel, mer komplicerat blir den när kroppstemperaturen sjunker. För att spara på värmen minskas blodflödet först till händer och fötter och därefter högre upp längs armar och ben. Därmed minskar yttemperaturen och med den förlusterna från dessa delar av kroppen. Detta innebär att, med eller utan mössa, ökar huvudets relativa betydelse för värmeutbytet eftersom ansiktets temperatur påverkas mindre. Ännu större blir betydelsen om mycket tjocka kläder bärs men det medför inte att det är ännu viktigare att bära mössa. Vid låg kroppstemperatur försvarar kroppen sin värme genom huttring, en värmeproduktion som inte fördelas jämnt över kroppen. Lokala variationer innebär att beklädnads- och fysiologimodellerna måste vara segmenterad. Detta nyttjas vid simulering av kroppsskyddets betydelse för värmebelastningen.
Vid fysisk ansträngning blir det varmt och svettigt under skyddet för att detta är tjockt och tätt. Men simulering visar att om kroppsskyddet kunde ventileras med bara några liter luft per sekund skulle skyddets bidrag till belastningen kunna försummas.
Miljön vid internationella operationer medför att erfarenheten för vad som är möjligt eller inte möjligt inte alltid räcker till. Inte minst beror detta på klimatet, speciellt solens bidrag. Därför kan man i klimatmodellen beräkna solinstrålningen på godtycklig plats på jorden. Därigenom kan tex simuleras vilken effekt det har på värme- och vätskebalansen om vilan kan tas i skugga även om arbetet sker i solsken.
Luftspalt ger IR-signatur
Att temperaturen kan vara olika för olika kroppsytor visar en IR-kamera. Ytan, antingen det är ett ansikte eller en del av ett ytterplagg, får sin temperatur bestämd av den isolation som finns mellan hud och ytterplaggets utsida relativt den isolering som omgivande luftspalten utgör. Det här beskrivs av klimatmodellen. När det blåser minskar omgivande luftspaltens isolation och därmed minskar yttemperaturen och med den IR-signaturen.
Olika typer av beklädnader utvecklas för att minska synligheten inom IR-området. Ofta bygger de på principerna att dels öka ytans storlek dels att öka den underliggande isolationen. Dräkterna ser som riktiga lövhögar. Det här innebär problem vid tyngre, långvarigt fysiskt arbete vilket sannolikt medför att endast specialister som tex prickskyttar får en särskild IR-dräkt. Hur synlig en person är i sådan dräkt eller i en konventionell fältuniform kan simuleras för olika klimat och fysiska aktiviteter.
Svalka i dräkten för het pilot
Även en stridspilot, i luften eller i väntan på startorder, är klimatutsatt. Vid starkt solsken kan höga temperaturer uppstå i cockpiten med svettning och därmed risk för dehydrering och sänkt g-tålighet som följd. När en yttre kraftkälla är kopplad till planet eller när motorn är igång fungerar dräktventilationen och den kompenserar för det mesta av den instrålade värmen.
Simuleringar visar att ventilationskravet blir lägre om dräktens isolation ökar. Självfallet hamnar piloten i ett sämre läge om dräktventilationen inte skulle fungera eller inte gå att använda t ex därför att någon yttre kraft inte är ansluten till planet. Beräkningar visar också på hög känslighet för hur tungt det är att flyga.
Även andra grupper än flygförare kan ha nytta av dräktventilation - förutsatt förstås att dräkten går att koppla till någon kraftkälla. Om ett luftflöde kopplades till fältuniformen skulle uthålligheten öka under varma somrar och i länder med varmt klimat. Sådan utrustning utvecklas utomlands. Beräkningar visar dock att nyttan är starkt beroende av fuktigheten hos den luft som blåses in. Dräktventilation kan vara till nytta även i kallt klimat. Värme kan ges till soldater vid artilleripjäser eller i stridfordon.
Alltfler kommer att vara köldutsatta som följd av intensifierad övervakning från IR-sensorer. Kollektiva utrymmen kommer inte att kunna värmas i samma omfattning som tidigare utan värme kommer bara att kunna ges direkt till den eller det som så behöver. Simulering kan ge svar på hur mycket värme som behövs i de olika fallen.
Gemensamt gränssnitt
Uppenbarligen kan listan över vilka situationer som kan studeras med simuleringsteknik göras lång. Inkluderas dessutom en andra typer av fysiologiska och mentala modeller kan belastningen på människan beskrivas än mer generellt. Med överenskommelse om ett standardiserat gränssnittet kan framöver internationella operationer samövas på det virtuella slagfältet som en förberedelse för verkligheten, den som gäller för både människan och tekniken.
Ulf Danielsson är tekn dr och forskar på fysisk funktion och prestation inom området arbets- och termofysiologi vid FOA.
Från FOA-tidningen nr 1-1998 - www.foi.se/framsyn