Манекен для краш-тестов: высокотехнологичная реплика человека, спасающая жизни

Введение

Как манекен для одежды, манекен для краш-тестов выглядит как человек, но его более чем кожная красота состоит из высокотехнологичной инструментации и передовой физиологии. И как версия вентрилоква, манекен не может говорить, кроме как в высокоэффективной серии ТВ-реклам о безопасности ремней.

Дорожно-безопасные агентства по всему миру опираются на краш-тест, в котором автомобиль таранят в кирпичную стену для наблюдения за повреждениями и генерации данных о производительности авто. Окупации тестового авто — манекены для краш-тестов (официально «Антропоморфные тестовые устройства») — изготавливаются так, чтобы напоминать и реагировать как человеческие тела и загружены изощренной инструментацией. Приборы записывают данные об ускорении, скорости, замедлении при ударе, силе удара, различных движениях и деформациях туловища и конечностей каждого манекена. Эти данные изучают инженеры по безопасности и соотносят с поведением людей и их потенциальными травмами.

Метод краш-теста имеет серьезные недостатки несмотря на универсальное принятие. Автомобиль (или другое ТС) частично или полностью повреждается в зависимости от цели теста. Манекены можно ретрофитить и повторно использовать много раз, но их способность отвечать со всей сложностью человеческих тел постоянно совершенствуется.

История

До конца 1940-х автомобили тестировали на трупах. Травмы можно было наблюдать на реальных телах, но трупы не реагировали как дышащие, гибкие существа. Манекены для краш-тестов разработали в 1949 году по контракту ВВС США для тестирования катапультируемых кресел, установленных на ракетных санях на рельсах. «Сьерра Сэм» — первый манекен. Автопром позже использовал тот же тип для разработки поясных ремней и плечевых ремней. Сьерра Сэм соответствовал среднему взрослому мужчине со статистически верным весом и подвижными конечностями; однако его позвоночник и шея были жесткими. Ускорение головы при катапультировании можно было измерить, но этого было недостаточно для оценки потенциальных черепно-мозговых травм.

К 1952 году Mark 1 изготовили из гипсовой формы живого человека — огромный скачок в мастерстве. Его череп содержал датчики ускорения и силы удара, отлитый из двух алюминиевых половин. Позвоночник Mark 1 состоял из серии шарнирно-шаровых соединений с распорками для имитации диапазона движений настоящего позвоночника. У манекена также были стальные ребра, виниловая кожа, пенная «плоть», но жесткие конечности. Другие манекены, разработанные до 1956 года, модифицировали и оснастили приборами для измерения выбранных диапазонов движений. Манекены других размеров и весов появились впервые, и эти пост-Mark 1 манекены использовали для тестов безопасности тракторов, скафандров лягушатников для подводного спасения, аспектов полета и безопасности космических исследований для NASA.

Космические программы мотивировали следующие прорывы в дизайне манекенов. Для оценки эффектов ракетной тяги на астронавтов, пристегнутых в сиденьях космических капсул, американские и европейские космические программы финансировали изобретение манекена Grumman-Alderson Research Dummy (GARD). Сидящий астронавт должен был быть идеально выровнен с направлением ракетной тяги, иначе и человек, и сиденье выкручивались бы. GARD был важным технологическим шагом, потому что процессы определения центра тяжести и оценки момента инерции (склонности к вращению при ускорении) были хорошо инструментированы в этом долговечном манекене. GARD до сих пор используется для тестов катапультируемых кресел, потому что кресла ограничивают диапазоны движений в этом манекене, делая их достаточно простыми для измерения вращений, истории ускорений и напряжений между человеком и сиденьем.

До 1966 авиапром, военная авиация и космическая программа вели разработку тестовых манекенов. Автопром стал движущей силой в разработке манекенов для краш-тестов в том году, когда автокатастрофы подчеркнули необходимость улучшений в ребрах, позвоночнике, тазу и брюшной полости манекена для оценки удерживающих систем. Математические модели и эксперименты с отдельными диапазонами тела показали, что движения можно моделировать пружинными связями. Пружины движутся при ударе и отскакивают, позволяя изучать эффекты вроде хлыста. Тесты поясных ремней фокусировались на травмах таза, но развитие плечевых ремней требовало у манекена грудину (стернум), ключицы и лопатки. Опоясанный манекен оснастили инструментированным висцеральным мешком, имитирующим движения внутренних органов. Приборы также установили в полостях бедер, груди и головы для изучения более сложных движений и дефлекций сил.

К 1970 году стало ясно, что взрослый мужской манекен не точно представляет меньшие пропорции детей и женщин. Фактически некоторые травмы более мелких тел вызывались ремнями и ремнями безопасности, признанными безопасными по среднему манекену. Крупная мужская модель и первый женский манекен произвели в 1970 году, назвали Сьерра Стэна и Сьерра Сьюзи. Того же года добавили Сьерра Сэмми (шестилетний) и Сьерра Тоддлер (трехлетний). Ни один ребенок не был корректен по распределению веса, но по крайней мере их представили и изучили впервые.

Проблема оценки травм детей усложнялась тем, что многие дети пострадают в автокатастрофах, потому что стоят или сидят неконвенционально. Диапазон движений и потенциальных ударов для необеспеченных детей гораздо более переменен. Переработка детских манекенов последовала немедленно, и модификации детских манекенов оставались наиболее интенсивно преследуемой областью дизайна краш-тестов с 1970-х по 1990-е. В 1970-х улучшенные данные дали детям более гибкие скелеты и более подвижные суставы конечностей, чем у взрослых, сделали их адаптируемыми к различным позициям в авто и улучшили инструментацию для измерения более широкого диапазона переменных. Разработка и тестирование детских автокресел, бустеров и подушек безопасности потребовали особого внимания к манекенам младенцев, малышей и юношей.

Улучшения компьютерного анализа также революционизировали краш-тесты к середине 1970-х. Компьютерные методы позволили измерять почти сорок различных параметров поведения тестовых манекенов. Строительные материалы аналогично улучшились для создания реалистичных, полностью подвижных манекенов. Для репликации поведения человеческих костей кости манекена изготавливали из стекловолокна с большей прочностью на разрыв, чтобы манекен можно было использовать повторно. Эти многочисленные адаптации привели к все более специализированным манекенам, поэтому модели вроде Supermorphic Dummy делали исключительно для автокрашей — они были слишком хрупкими для катапультирования.

Специализации в авиационных манекенах включали Limb Restraint Evaluator (LRE) Anthropomorphic Manikin, созданный специально для тестов удерживающих устройств предотвращения травм от беспорядочных движений при катапультировании из военных истребителей. Другие специализированные манекены тестировали экспериментальные парашюты, крушения вертолетов и гоночные автомобили. Например, тесты крушений гоночных автомобилей (типа Инди-500 или серии CART) показали, что тяжелые гоночные шлемы защищают головы пилотов от удара, но вес шлема увеличивает риск шеевоя травм потому что заставляет шею вытягиваться. Удар Инди-кара в бетонную стену снижает скорость на 40 миль/ч (64 км/ч) за 70 мс, и пилот ощущает перегрузку 60g. Сенсорный «черный ящик» в манекене оценивает все силы 2000 раз в секунду во время крушения.

Технология манекенов ускорилась снова с проектированием и тестированием подушки безопасности. Семейство манекенов диверсифицировали дальше, включив еще больше типов тел. Смертельные случаи от раскрытия подушки случались чаще у лиц за пределами статистических габаритов. Эти «малые пассажиры не в позиции» (OOP) стимулировали дальнейшие эволюционные изменения в манекенах. Раскрытие подушки подвергало манекенов силам, превышавшим их проектные возможности. Значительные апгрейды семейства манекенов произошли к 1997 году благодаря тестам подушек и разработке боковых подушек.

Сырье

Тело манекена для краш-тестов состоит из металлических деталей из алюминия, бронзы или стали (в зависимости от дизайна, назначения и частей тела) а также материалов для металлического покрытия. Широкое разнообразие пластиков также включено в большинство дизайнов: Дельрин (износостойкая ацетатная смола), уретан и полиуретановая пена, винил. Большинство манекеней одетые для реализма, специфические поставщики предоставляют одежду, краску и клея для маркировки критических целей или точек измерения на манекенах. Фактически, не только внешние поставщики используются для многих компонентов манекена, но федеральные тестовые агентства, утверждающие дизайны манекенов, диктуют конкретных поставщиков, которые должны использоваться для некоторых материалов.

Производители манекенов поставляют мало или никакой инструментации. Дизайны предусматривают пространство для крепления приборов, но инструментация настолько специфична для реальных тестовых условий, что клиенты производителей устанавливают свои собственные. Некоторые маленькие потенциометры иногда встроены в линии производителя, но более сложные приборы вроде акселерометров и датчиков силы выбирает клиент из своих пакетов или специализированных вендоров.

Дизайн

Дизайн манекенов для краш-тестов — сложный и изолированный процесс, ограниченный госагентствами, производителями манекенов и клиентами вроде автопроизводителей. Производители манекенов не отвечают за создание собственных дизайнов. Вместо этого они получают пакеты чертежей, комплекты строительных спецификаций и спецификации требуемых тестов от Национального администрации по безопасности дорожного движения (NHTSA). Европейские агентства предоставляют аналогичные пакеты документации производителям. Основываясь на своем опыте постройки манекенов, их ремонте или ретрофите и наблюдении за пост-аварийными травмами, производители манекенов, как и пользователи, имеют вклад в изменения дизайна. NHTSA основывает свои дизайны на множестве данных: отчетах об авариях, расположении в ТС, вариациях телосложения и физического развития, автопсиях, симуляциях. Эксперты по биомеханике анализируют все доступные данные и создают спецификации, отправляемые производителям.

Процесс производства

Производство манекенов для краш-тестов высоко проприетарно из-за сложности дизайна и малого числа квалифицированных производителей в мире. Весь дизайн и строительство соответствует экстремально высокому набору стандартов — нет «B-класса» манекенов для краш-тестов.

1. При получении пакета чертежей и спецификаций для нового манекена производитель определяет, какие детали и материалы закупать у конкретных вендоров, у каких из утвержденного диапазона, а какие производить инхаус. Например, одежда для манекенов поставляется конкретным вендором; но для пены, поддерживающей виниловую кожу, наименование конкретных вендоров избегается, производитель должен лишь соответствовать определенным эквивалентам.
2. Выкройки и формы для металлических деталей к резке или литью делают по чертежам, готовят необходимую оснастку. Их литуют, режут, термообрабатывают до трех раз, покрывают, обрабатывают для чистовой чистки и уточнения. Наконец, металлические детали собирают на заданных крепежах.
3. Пластики аналогично проектируют, оснасткуют и литуют впрыском или другими методами, подходящими для детали и материала. Пластики также обрабатывают и собирают или подгоняют к металлическим деталям.
4. После сборки металлического и пластикового тела манекена к нему подгоняют кожу. Некоторые кожи состоят из винила, литого на манекене с пеной, впрыскиваемой под винил для твердости и подвижности, напоминающей настоящую. Другие кожи — куски винила с пенным подложением. Их можно надевать и снимать как одежду. Кожа, покрывающая голову, — единый кусок, надеваемый на алюминиевый череп. Цвета также важны для кожи манекена. Многие клиенты хотят натуральные тона, но кожа с красными или желтыми оттенками иногда предпочтительна для снимаемых тестов. Желтые и красные тона облегчают точные измерения движений на пленке.
5. Манекен спроектирован с отверстиями для инструментации и кабелей. Они в крупных частях тела: череп, грудь, брюшная полость, бедра. Одежду иногда надевают на манекенов на заводе или предоставляют клиенту, чтобы манекен можно было одеть после вставки инструментации.

Контроль качества

Контроль качества жестко специфицируется NHTSA (или другими агентствами) до даже рассмотрения производства. Сборщики манекенов хорошо осознают, что их «семья» будет принесена в жертву безопасности тысяч людей, поэтому чувствуют интенсивную ответственность за вопросы качества. Когда части тела готовы и когда все тело и голова собраны, манекен проходит строгий набор тестов в калибровочной лаборатории, где выполняются требуемые тесты и измерения для подтверждения соответствия продукта каждой детали чертежей и спецификаций. Тесты включают тест на падение головы, удар в грудь (торакс) тестирование, и калибровку черепа, шеи, коленей, других крупных суставов и иногда других частей конечностей в зависимости от использования манекена. В зависимости от типа телосложения, которое манекен представляет, результаты тестов будут варьироваться. Масса головы ребенка, например, драматически меньше взрослой, поэтому тест падения головы будет совсем иным. Набор сертификаций — своего рода свидетельство о рождении — остается с манекеном на протяжении полезной жизни для доказательства калибровочных тестов и использования при перестройке, ретрофите и перекалибровке.

Побочные продукты/Отходы

Побочных продуктов от производства манекенов нет. Отходы ограничены металлом и пластиком, которые можно рециклировать.

Будущее

Компьютерные технологии сделали манекен для краш-тестов адаптируемым к экстремумам человеческой активности через улучшения дизайна, методов тестирования, миниатюризацию приборов и анализ данных. В конечном счете, однако, компьютер может стать фатальным для семейства манекенов. Компьютерные симуляции становятся настолько сложными, что могут представлять автокатастрофы, повреждения самого ТС и травмы окупации. Симуляции привлекательны для автопроизводителей, потому что они исключают некоторое, если не все разрушительное тестирование, стоимость которого ~$750 000 за тест. Окупацию можно изучить после симулированного удара, и детали травм головы и позвоночника особенно можно анализировать. До трех месяцев проектного времени можно убрать из графика дизайн-производство новой модели авто, и новые дизайны могут быть безопаснее для более широкого диапазона водителей и пассажиров разного размера.

Производители манекенов, с другой стороны, настаивают, что их семьи здесь надолго. Больше модификаций и сложностей, а также технологических приложений сделали манекены надежными барометрами производительности ТС. Госагентства признают это и просят производить манекенов и датчики, фокусирующиеся на очень специфических травмах. В 1995 фокус сместился на нижние ноги, движение стоп и повреждение ахилловых сухожилий от лобовых ударов. Новые датчики сделали ноги Hybrid III 50-й перцентиля (сертифицированного в 1997) похожими на бионического человека. В 1999 акцент сместился на задние удары и разработку передового позвоночника через кооперативные исследования агентств, университетов и производителей. Растет интерес к симулянтам кожи, которые будут синеть и сдираться при авариях; данные от этих разработок также помогут врачам улучшить лечение кожных травм. Как и их человеческие аналоги, манекен для краш-тестов продолжает эволюционировать ради спасения наших жизней и конечностей.