Virtuelle kropsmodeller supplerer crashtestdukker

Utallige mennesker dør hvert år i trafikulykker. For at forbedre sikkerheden for passagerer i køretøjer, det har været kutyme i årtier at udføre kollisionstest ved hjælp af dukker. Disse crashtestdukker får i stigende grad virtuel support i form af computermodeller, der simulerer menneskers defensive adfærd før en kollision. Forskere ved Fraunhofer Institute for High-Speed ​​Dynamics, Ernst-Mach-Institut, EMI er blandt dem, der bruger virtuelle menneske-kropsmodeller i nedbrudssimuleringer, som giver mere realistiske konklusioner om skadesrisikoen. I deres beregninger, forskerne fokuserer især på muskelstivhed, som der ikke er taget højde for i tidligere undersøgelser.

Køretøjspassagerer tager instinktivt defensiv handling for at forberede sig på sammenstødet. De spænder deres muskler og i tilfælde af føreren, spænde sig fast mod rattet, mens de holder foden nede på bremsepedalen. Denne adfærd har indflydelse på udfaldet af ulykken. Fordi konventionelle crashtestdukker ikke er i stand til at reagere på et forestående nedbrud, de kan ikke bruges til at modellere menneskelig adfærd. I bilindustrien, derfor, digitale computermodeller bliver i stigende grad brugt i finite element (FE)-simuleringer for at reproducere passagerernes kropsholdning kort før en ulykke og dermed forbedre bilernes sikkerhed. "Muskulærsystemet har stor indflydelse på, hvordan en person i bilen reagerer kort før en ulykke og på kroppens bevægelser under sammenstødet. Der kan være betydelige, kritiske divergenser sammenlignet med stive og kinematisk begrænsede crashtestdukker, " siger Dr. Matthias Boljen, videnskabsmand ved Fraunhofer EMI.

Ingeniøren og hans team bruger digitale menneske-krop-modeller som en del af FE-simuleringer. I de seneste FE-tests, de fokuserede på muskelstivhed, når de vurderede passagersikkerhed. Forskerne undersøgte virkningerne af ændringer i muskelstivhed på kinematik af passagerer, hvilket betød at bryde ny videnskabelig jord. Tidligere forskning havde kun simuleret bevægelsesgenerering gennem muskelsammentrækning i menneskelige modeller, men ikke den muskelstivhed, der følger med sammentrækningen. "Hvis en chauffør støtter sig mod rattet før en kollision, dette forkorter ikke kun musklen, men musklen bliver også mere stiv gennem sammentrækningen. I tidligere FE-simuleringer af individuelle muskler og muskelgrupper i helkropsmodeller, effekten af ​​muskelsammentrækning blev fuldstændig ignoreret, " forklarer forskeren.

Denne udeladelse blev rettet af Niclas Trube, en kollega til Boljen, der brugte THUMS (Total Human Model for Safety) Version 5 til sine undersøgelser. Han definerede fire forskellige stivhedstilstande og testede indflydelsen af ​​disse ændringer i en simuleret frontalkollision. Konklusionen var, at muskelstivhed har en afgørende indflydelse på passagerernes adfærd. Afhængig af graden af ​​stivhed, forskellige former for skader kan forventes i en ulykke.

"Dette fund kan være af stor betydning for den videre udvikling af menneskelige modeller, især med hensyn til selvkørende biler. Køretøjets interiør vil blive redesignet i fremtiden, hvilket betyder, at eksisterende sele- og airbagkoncepter også skal revurderes. Menneskelige modeller er et værdifuldt værktøj til at gøre dette, " siger Trube.

Øget trafiksikkerhedskrav

Digitale menneskemodeller kan også bruges til beskyttelse af fodgængere og cyklister. Behovet for handling på dette niveau er blevet vist af nyere undersøgelser, som vidner om en øget forekomst af overraskende farlige situationer forårsaget af e-cykler. Elektriske scootere vil være tilladt på offentlig vej i Tyskland fra senere i år. Trafikeksperter frygter en yderligere stigning i antallet af ulykker. Ved hjælp af menneskelige modeller, ulykkesscenarier kan undersøges på forhånd. Afhængig af den defensive adfærd, hyppigheden og intensiteten af ​​de opståede spændinger kan testes. Producenter af vagter, hjelme og andet beskyttelsesudstyr kunne drage fordel af anbefalingerne.

Hvordan den menneskelige krop reagerer på mekaniske belastninger er ikke kun interessant for transportsektoren, imidlertid, men også til en række medicinske og ergonomiske problemer. Hvordan opfører materialer, der anvendes i implantater og proteser sig i forhold til menneskeknogler, når de udsættes for pludselig stress? Hvordan påvirker vibrationer fra elværktøj brugeren? "Menneskemodeller er ideelle til sådanne applikationer, da vi kan skabe realistiske virtuelle modeller med dem, noget, der ikke kan opnås på samme måde med eksperimenter, siger Boljen.