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Eine intelligentere Art von Crashtest-Dummy
Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation stirbt alle 25 Sekunden ein Mensch bei einem Verkehrsunfall. Crashtest-Dummies mit Beschleunigungsmessern, Kraftsensoren und Dehnungsmessstreifen haben den Autoherstellern geholfen, die Zahl der Todesopfer nicht zu erhöhen.
Forscher der Wake Forest University glauben jedoch, dass die Mannequins möglicherweise an die Grenzen ihrer Nützlichkeit gestoßen sind. In den letzten fünf Jahren haben die Forscher Tausende von virtuellen Crashsimulationen auf einem Supercomputer ausgeführt, wobei jede Daten aus realen Beispielen verwendet hat. Durch die Simulation realer Unfälle können wir die Auswirkungen von Fahrzeugkonstruktionsparametern, Sicherheitsmerkmalen und Insassenfaktoren untersuchen und Lösungen vorschlagen, die Insassenverletzungen verhindern und mindern würden, sagt Ashley Weaver, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik an der Universität und ein wichtiges Mitglied des Forschungsteams.
Es ist keine neue Idee: In den 1930er Jahren leisteten Forscher Pionierarbeit bei ähnlichen Tests an menschlichen Leichen. Später, Freiwillige wie Johannes Paul Stapp boten an, in bescheidenen Aufpralltests lebende Versuchspersonen zu sein, während Forschungsteams routinemäßig lebende Schweine verwendeten, um die Auswirkungen schwerwiegenderer Kollisionen zu testen.
Anthropomorphe Testgeräte, wie diese unseligen Schaufensterpuppen in der Branche besser bekannt sind, liefern Daten zu rund 20 Körperstellen. Digitale Simulationen, wie sie vom Team Wake Forest entwickelt wurden, ermöglichen es den Forschern dagegen, die Auswirkungen eines Aufpralls in weitaus größerem Umfang zu untersuchen, indem sie eine Vielzahl von Körperformen und -größen sowie unterschiedliche Körperpositionen im Moment des Aufpralls testen. Das Wake Forest-Modell kann das Risiko von Knochenbrüchen und Schäden an Weichteilen und Organen quantifizieren, Verletzungen, die von Crashtest-Dummys nicht berücksichtigt werden.
Die Daten sind für Automobilhersteller von unschätzbarem Wert. Digitale Crash-Dummys [ermöglichen uns], die besten Methoden zur Modifikation von Fahrzeugchassis, Innenausstattung, Sitzen, Kopfstützen, Sicherheitsgurten, Armaturenbrettern und aktiven Sicherheitssystemen wie Airbags zu bestimmen, um die Sicherheit sehr früh im Fahrzeugdesignprozess zu verbessern, sagt Bill Veenhuis, Ingenieur bei Nvidia, das kommerzielle Hardware für Crash-Simulationen an mehr als ein Dutzend Autohersteller liefert.
Die Arbeit kann sowohl Geld als auch Leben retten. Die Ermittlung von Sicherheitsverbesserungen vor der Herstellung von Blechen und anderen Teilen reduziert später in der Konstruktionsphase die Kosten. Das Testen mit echten Crash-Dummys wird dann zu einer Methode zur Validierung der digitalen Crash-Dummy-Tests, anstatt Energien und Verformungen sehr spät im Fahrzeugentwicklungsprozess zu entdecken, sagt Veenhuis. US-Fahrzeuge müssen Bundesnormen bei 35 verschiedenen Tests erfüllen, um einen ausreichenden Schutz bei Front- oder Seitenkollisionen zu gewährleisten. Je genauer die Simulation, desto größer die Chance, dass der Autohersteller die teuren Live-Crashtests beim ersten Mal besteht.
Die von Toyota gesponserte Forschung von Weaver unterscheidet sich von aktuellen kommerziellen Anwendungen dadurch, dass ihre Daten auf detaillierten Fahrzeug-, Szenen- und medizinischen Daten basieren, die aus einer Datenbank mit Verletzungsforschung stammen. Unter Verwendung eines fortschrittlichen digitalen Modells, das nicht weniger als 1,8 Millionen Elemente enthält, die kombiniert werden, um die menschliche Form genau zu reproduzieren, von der präzisen Knochenstärke bis zur Struktur der Organe, und das in der Lage ist, Verletzungen sowohl des Weich- als auch des Knochengewebes vorherzusagen, führte das Team Simulationen durch bis das Modell die Auswirkungen verschiedener Unfälle auf reale Unfallopfer genau nachahmte. Eine derart komplexe Arbeit ist nur dank der jüngsten Entwicklungen in Bezug auf Leistung und Effizienz von Computerhardware möglich. Vor zwei Jahrzehnten dauerte die Lösung einer Fahrzeugunfallanalyse mit einem digitalen Crash-Dummy zwei Wochen, sagt Veenhuis. Heute können wir eine typische Frontaufprallstudie über Nacht durchführen.
Dennoch erforderte die Arbeit, wie bei jedem Modell, mehrere Vereinfachungen und Annahmen, erklärt Weaver. Beispielsweise musste das Team in den Simulationen ein generisches Einheitsfahrzeug verwenden, da nicht genügend öffentlich zugängliche Daten zu verschiedenen Fahrzeugen vorhanden sind. Und während das Modell die Auswirkungen eines Crashs auf verschiedene menschliche Körpergrößen und bis zu 140 verschiedene Positionen simulieren kann, ist es derzeit nicht in der Lage, die Ergebnisse an das Alter oder den Gesundheitszustand eines Passagiers anzupassen.
Dennoch ist Weaver zuversichtlich, dass die Forschung letztendlich Leben retten und die Schwere von Verletzungen sowohl an Knochen als auch an Organen verringern wird. Ich hoffe, dass die Forschung eine kostengünstige Lösung für die Bewertung neuer und bestehender Sicherheitsmerkmale im Automobilbereich bieten wird, sagt sie.