LED šviesos šaltinių išradimas buvo didžiulis proveržis dirbtinio apšvietimo istorijoje. Šios technologijos reikšmė slypi ne tik efektyviame energijos konvertavime. Įspūdingas šviesos diodų valdymas, panašus į kitus puslaidininkinius įrenginius, suteikia didžiulių galimybių įdiegti pažangias funkcijas. Viena jų – į žmogų orientuoto apšvietimo arba HCL (angl. human centric lighting) koncepcija, susijusi su mūsų savijauta ir psichologine būsena, kuri priklauso nuo apšvietimo, jo intensyvumo ir spalvos temperatūros.
Apšvietimo pramonė ilgą laiką praktiškai visus savo išteklius investavo į technologijas, sprendimus ir gaminius, atitinkančius mūsų vizualinius poreikius. Tik tada, kai šio tūkstantmečio pradžioje žmogaus akyje buvo atrastas trečiasis fotoreceptorius (be jau žinomų strypelių ir kūgių) ir šviesos biologinės įtakos įrodymai, žmonių sveikata ir gerovė pradėta sieti su šviesa. Atlikti tyrimai ir išvados apie šviesos poveikį metė iššūkį apšvietimo pramonei imtis holistiškesnio požiūrio, kuris tuo pačiu metu atsižvelgia ne tik į vizualinius, bet ir į biologinius žmonių poreikius. HCL priima šį iššūkį ir atveria visiškai naują galimybių pasaulį su LED apšvietimo ir daiktų interneto (IoT, angl. internet of things) pažanga.
Į žmogų orientuoto apšvietimo svarba
HCL – tai apšvietimo koncepcija, kurioje pagrindinis dėmesys skiriamas natūralios dienos šviesos dinamikos sugrąžinimui į kasdienį žmonių gyvenimą, naudojant biologiškai efektyvų dirbtinį apšvietimą. Tai padeda žmogaus kūnui išlikti suderintam su natūraliais cirkadiniais ritmais, kuriuos žmogus išsiugdė per visą savo istoriją. Dar prieš 200 metų mūsų protėviai 90 proc. laiko praleisdavo saulėje ir jų biologiniai laikrodžiai būdavo sinchronizuojami pagal 24 valandų žemės aplinkos pokyčių ritmą. Šiais laikais žmonės lauke būna ribotą laiką, todėl netinkamas dirbtinės šviesos poveikis uždarose patalpose gali sukelti cirkadinį sutrikimą, kuris yra susijęs su padidėjusiu būdingų ligų paplitimu šiuolaikinėje visuomenėje.
Vietoj nepritaikyto apšvietimo su fiksuota optine spinduliuote, neatsižvelgiant į veiklą ar paros laiką, HCL imituoja dinaminius lauko šviesos intensyvumo ir spalvos temperatūros pokyčius per dieną. Su HCL sukuriamos biologiškai optimizuotos šviesos kompozicijos, kad padidintų koncentraciją ir produktyvumą darbo ir mokymosi aplinkoje, kartu skatinant atsipalaiduoti ir regeneruotis naktį. Kuriant holistinį biologiškai efektyvių apšvietimo sistemų dizainą, atsižvelgiama į šviesos poveikį tiek biologiniams, tiek emociniams žmogaus fiziologijos aspektams.
Efektyvus šviesos valdymas ir HCL programos
HCL yra skirtas fiziologinėms ir psichologinėms pasekmėms, atsirandančioms dėl natūralios ir dirbtinės šviesos neatitikimo, sušvelninti. HCL koncepcija laikoma neatsiejama apšvietimo dizaino dalimi visur, kur žmonės gyvena, dirba ir mokosi. Sveikatos priežiūros įstaigos turi aiškų poreikį įdiegti HCL, kad sukurtų teigiamą pacientų patirtį, skatintų jų sveikimą, spręstų pacientų miego problemas, gydytų ir užkirstų kelią depresijos simptomams. Kadangi nustatyta, kad įvairaus spektro ir intensyvumo šviesa palaiko koncentraciją, mažina nuovargį ir pagerina pažinimo veiklą, švietimo įstaigos taip pat turėtų palankiai vertinti ir diegti HCL sistemas įvairioms mokymosi veikloms skatinti. Kitos erdvės, kuriose galima integruoti cirkadinį apšvietimą, yra gamybos patalpos, biurų aplinka ir konferencijų salės. Nors šios vietos dar vis užtvindytos mėlynos spalvos šviesa, kad padidėtų personalo ar darbuotojų motyvacija, atsidavimas ir produktyvumas, lankstus spektrinės sudėties ir šviesos intensyvumo reguliavimas visą darbo dieną gali pagerinti darbuotojų pasitenkinimą ir darbo rezultatus, kad pirmadieniai nebebūtų nemėgstamiausia diena savaitėje.
Biologinis šviesos poveikis
Buvo žinoma, kad regos pojūtį žmonėms suteikia du tinklainėje esantys fotoreceptoriai: strypeliai ir kūgiai. Strypelių fotoreceptorius veikia su mažu jautrumu, užtikrina skotopinį regėjimą (naktinį matymą) ir prisideda prie regėjimo tarpinio diapazono (mezopinio regėjimo). Kūgio fotoreceptorius, reaguojantis į visas regėjimo spektro spalvas, prisideda prie regėjimo esant dideliam apšvietimui (fotografinis matymas). Šio tūkstantmečio pradžioje akyje buvo aptiktas trečiasis fotoreceptorių tipas – iš esmės šviesai jautrios tinklainės ganglioninės ląstelės (ipRGC). IpRGC sudaro pagrindinį nervinį kanalą į suprachiasmatinius branduolius (SCN) smegenų kamieno srityje, kur yra mūsų cirkadinis laikrodis.
IpRGC dalyvauja cirkadinėje fototransdukcijoje – biocheminiame procese, kurio metu fotoreceptorių ląstelės generuoja elektrofiziologinius signalus, reaguodamos į užfiksuotus fotonus. SCN reaguoja į neurologinius signalus, perduodamus ipRGC per akies tinklainę ir reguliuoja hormonų, tokių kaip dopaminas, kortizolis, serotoninas ir melatoninas, sekreciją arba slopinimą. Esant silpnam apšvietimui ir tamsoje, kankorėžinė liauka pradeda gaminti cirkadinį neurohormoną melatoniną (N-acetil5-metoksitriptaminą), kuris sukelia mieguistumą ir skatina miegą. Kai akis pajunta didesnio intensyvumo optinę spinduliuotę, melatonino išsiskyrimas slopinamas ir suaktyvėja dopamino, kortizolio ir serotonino gamyba. Dopaminas yra endogeninis katecholaminas, reikalingas malonumui, budrumui ir raumenų koordinacijai palaikyti. Kortizolis yra streso hormonas, kuris skatina budrumą ir leidžia žmonėms jaustis aktyviems. Serotoninas yra neuromediatorius, užtikrinantis impulsų kontrolę, gerinantis nuotaiką ir motyvaciją.
Cirkadinis sutrikimas ir jo pasekmės
Šiuolaikinė tendencija, kai žmonės didžiąją laiko dalį praleidžia uždarose patalpose, žymiai padidina cirkadinio veikimo sutrikimo riziką dėl netinkamo dirbtinio apšvietimo poveikio. Biuruose, mokyklose, komercinėse ir pramoninėse patalpose naudojama didelio intensyvumo mėlyna šviesa, kad žmonės būtų budresni, susikaupę, produktyvesni. Mėlyna šviesa yra būtina dienos metu, siekiant pagerinti gyvybingumą ir koncentraciją, tačiau ji gali pakenkti sveikatai, jei pratęsiama iki nakties valandų. Tiesą sakant, didelė dalis gyventojų dažnai dirba arba mokosi giliai iki nakties. Šiems žmonėms gresia didelis cirkadinis sutrikimas, nes naktinis bioaktyvios mėlynos šviesos poveikis smarkiai slopina melatonino sekreciją ir priverčia organizmą iš naujo nustatyti biologinį laikrodį. Melatonino sekrecijos laiko pasikeitimas dėl sezoninių pamainų, darbo naktinėse pamainose ar keliaujant per skirtingas laiko juostas taip pat gali sukelti cirkadinį sutrikimą.
Nukenčia ne tik miegas, tai sukelia nuovargį, sumažėjusį darbingumą dieną ir įvairius miego sutrikimus, tokius kaip nemiga ir miego apnėja. Vidinė desinchronizacija tarp SCN ir periferinių „laikrodžių“ veikia visą mūsų metabolizmą ir ląstelių dauginimąsi. Nustatyta, kad sutrikęs cirkadinis ritmas yra susijęs su nutukimu, diabetu, depresija, bipoliniais, širdies ir kraujagyslių sutrikimais, reprodukcijos problemomis ir sezoniniais afektiniais sutrikimais. Nesubalansuotas hormonų išsiskyrimas gali pakenkti imuninės sistemos veiklai ir skatinti ląstelių, susijusių su vėžiu, pavyzdžiui, krūties, prostatos ar gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžiu, aktyvumą.
Mūsų biologinis laikrodis evoliucionavo taip, kad galėtų sekti saulėtekį ir saulėlydį. Bioaktyvios mėlynos šviesos nebuvimas arba labai mažas jos lygis po saulėlydžio suteikia nakties signalą, kuris liepia smegenims gaminti melatoniną. Melatonino sekrecija pradeda didėti apie 21 valandą ir pasiekia piką apie 2 valandą nakties. Smegenys nustoja gaminti melatoniną iki 7 valandos.
Spalvų temperatūrų reikšmė ir svarba
Terminas „spalvos temperatūra“ yra sąvoka, nusakanti baltos šviesos šaltinio spalvos išvaizdą. Šis terminas dažnai apibūdinamas „koreliuojančia spalvų temperatūra“ (CCT; angl. correlated colour temperature). CCT išreiškiamas kelvinais (K). Pavyzdžiui, įprasta žvakės šviesos spalvos temperatūra yra 1800 K, spalvos temperatūra prieblandoje ir auštant yra 2000 K arba didesnė, kaitrinės lemputės tipinė spalvos temperatūra yra 2800 K, halogeninės lemputės – 3000 K, saulės šviesos vidurdienį – apie 5000 K, dienos šviesos debesuotą dieną – apie 6500 K, o mėlyno dangaus spalvinė temperatūra yra 9000–12000 K. Kuo žemesnė spalvų temperatūra, tuo šiltesnis atrodo šviesos šaltinis, nes šviesos spektras yra prisotintas raudonų ir oranžinių bangų ilgių. Kuo aukštesnė spalvų temperatūra, tuo šaltesnis atrodo šviesos šaltinis, nes šviesos spektras yra prisotintas mėlynų bangų ilgių. Todėl šviesos šaltiniai paprastai skirstomi į „vėsiai baltus“ (4000 K ar daugiau), „neutraliai baltus“ (apie 3500 K) ir „šiltai baltus“ (3000 K ar mažiau).
Anksčiau minėti terminai „žydra sodri šviesa“ ir „bioaktyvi mėlyna šviesa“ reiškia baltą šviesą, kurios atspalvis yra vėsus (4000 K ar daugiau). Evoliucijos proceso metu mūsų cirkadinis ritmas buvo suderintas su natūralia dienos ir nakties seka. Saulėtekiai ir saulėlydžiai sudaro natūralias ribas tarp darbo ir poilsio laiko. Nuo ryto (pavyzdžiui, 8 val.) iki vakaro (pavyzdžiui, 17 val.) akyje esantis nevizualinis fotoreceptorius melanopsinas lauko šviesoje konkrečiai reaguoja į mėlynus komponentus, kurių jautrumas yra didžiausias. Dienos šviesa 4000–6500 K diapazone skatina biologinį organizmą slopinti melatoniną ir sustiprinti dopamino, serotonino ir kortizolio gamybą. Būtent šiuo laikotarpiu žmonės pasižymi didžiausiu budrumu, susikaupimu, gyvybingumu, motyvacija ir pasiryžimu atlikti įvairias užduotis efektyviai ir produktyviai. Logiška, kad šalta balta spalva yra universali dirbtinio apšvietimo spalvos temperatūra mokymosi ir darbo aplinkoje.
Šilta, mažesnio intensyvumo šviesa saulėtekio ir saulėlydžio metu suteikia žmonėms švelnią dienos pradžią arba padeda nusiraminti naktį. Žmogaus cirkadinis ritmas yra iš prigimties susietas su saulės dienos šviesos ciklu ir nustatytas priimti šiltą baltą šviesą (2700–3000 K), kuri yra stipresnė raudonojoje spektro dalyje vakaro ir nakties metu. Jei nėra mėlynos sodrios šviesos, melatonino kiekis pakyla naktį, prisidedant prie atsipalaidavimo ir skatinant mieguistumą. Šiltas šviesos tonas taip pat suteikia komforto ir jaukumo jausmą, sukuria intymią atmosferą, leidžiančią žmonėms ramiai pailsėti.
HCL neturėtų būti tapatinamas su reguliuojamu baltu apšvietimu
Verta paminėti, kad pasaulyje yra daug gyventojų, kurie nuo dienos iki nakties buvo veikiami didelės CCT dirbtinės šviesos (6000 K ir daugiau). Pernelyg ilgai trunkantis per daug mėlynos spalvos turinčios šviesos poveikis ne tik sutrikdė jų cirkadinį ritmą, bet ir kelia fotobiologinį pavojų (mėlynos šviesos pavojus). Šios didelės rizikos grupės žmonėms nedelsiant reikia cirkadinio apšvietimo.
Reguliuojama balta spalva yra tik technologija, naudojama HCL sistemose, kad būtų galima nustatyti šviesos diodų spektrą ir intensyvumą. Žmogiškasis HCL koncepcijos aspektas yra pats svarbiausias. Į žmogų orientuotas apšvietimas neišvengiamai sutelks daugiau intelekto ir tinklų kūrimo galimybių, kad būtų užtikrinta geriausia patirtis. Integracija su pastatų automatizavimo sistemomis ir internetinėmis daiktų interneto (IoT) paslaugomis suteiks HCL sistemoms galimybę žymiai pagerinti apšvietimo valdymą, energijos vartojimo efektyvumą, taip pat automatizuotą apšvietimo kalibravimą, naudojant 24 valandų biologinį ciklą.
Į žmogų orientuotas apšvietimas atsirado tinkamiausiu metu kaip LED technologijos išdava. LED programuojamas gebėjimas dinamiškai nustatyti šviesos spektrą visoms spalvų temperatūroms nuo labai šiltos baltos šviesos iki baltos dienos šviesos leidžia HCL apšvietimo sistemoms atkartoti spalvų pokyčius, imituojančius natūralų apšvietimą, saulei keliaujant per horizontą. Be to, kiti HCL valdymo komponentai, tokie kaip šviesos intensyvumas, laikas ir trukmė, gali būti lanksčiai pritaikyti prie žmogaus cirkadinio ritmo.
