Botsingstest-dummy: de high-tech menselijke replica die levens redt

Achtergrond

Net als een modepop, ziet de dummy eruit als een mens, maar zijn meer-dan-huid-diepe schoonheid bestaat uit high-tech instrumentatie en een state-of-the-art fysiek. En net als de ventriloquistenversie, kan de botsingstest-dummy niet spreken behalve in een hoogst effectieve reeks televisiecommercials voor veiligheidsgordelveiligheid.

Snelheidsveiligheidsagentschappen over de hele wereld vertrouwen op de crashworthiness-test waarin een automobile in een baksteenmuur wordt geramd om schade te observeren en data te genereren over de auto's prestaties. De insitters van het testvoertuig zijn botsingstest-dummies (officieel "Anthropomorphic Test Devices") die vervaardigd zijn om te lijken en te reageren als menselijke lichamen en die geladen zijn met gesophistikeerde instrumentatie. De instrumenten registreren informatie over versnelling, snelheid, deceleratie bij impact, impactkracht, en de verschillende bewegingen en deformaties van elke dummy's tors en ledematen. Deze data worden bestudeerd door veiligheidsingenieurs en gerelateerd aan gedrag van menselijke insitters en hun potentiële letsels.

De botsingstestmethode heeft grote tekortkomingen ondanks haar universele acceptatie. De automobile (of ander voertuig) is gedeeltelijk of volledig beschadigd, afhankelijk van het testdoel. De dummies kunnen geretrofit en hergebruikt worden vele keren, maar hun vermogen om te reageren met alle complexiteiten van menselijke lichamen wordt altijd verder geperfectioneerd.

Geschiedenis

Voor de late jaren '40 werden auto's getest met lichamen. Letsels konden waargenomen worden op echte lichamen, maar lichamen reageerden niet als ademende, flexibele wezens. Botsingstest-dummies werden in 1949 ontwikkeld onder contract aan de VS luchtmacht voor het testen van vliegtuiguitwervelingszetels die op raketaangedreven sleden op rails gemonteerd waren. "Sierra Sam" was de eerste dummy. De auto-industrie gebruikte later hetzelfde type dummy om schootgordels en schouderharnassen te ontwikkelen. Sierra Sam leek op de gemiddelde volwassen man met een statistisch correct gewicht en gewenste ledematen; echter, Sam's ruggengraat en nek waren stijf. De versnelling van zijn hoofd zoals het het uitwervelingspad volgde kon gemeten worden, maar dit was verre van voldoende voor het evalueren van potentiële hoofletsels.

In 1952 werd Mark 1 vervaardigd uit een gipsafdruk van een levende man, en deze dummy markeerde een enorme verbetering in de stand van de techniek. Zijn schedel huisvestte sensoren voor het meten van versnelling en impactkracht, en was gegoten uit twee aluminiumstukken. Mark 1's ruggengraat bestond uit een serie bal-en-socket gewrichten met tussenruimtes om de bewegingsbereik van een echte ruggengraat te simuleren. De dummy had ook een set staalbuizen ribben, vinylhuid, en schuimvlees, maar stijve ledematen. Andere dummies ontwikkeld tot 1956 werden gemodificeerd en geïnstrumenteerd om een geselecteerd bereik van bewegingen te meten. Dummies van andere maten en gewichten dan gemiddeld werden voor het eerst gemaakt, en deze post-Mark 1 dummies werden gebruikt om tractieveiligheid, kikkerpakken voor onderwaterontsnapping, en vlucht- en veiligheidsaspecten van ruimteonderzoek voor NASA te testen.

Ruimteprogramma's motiveerden de volgende vooruitgang in dummy-ontwerp. Om de effecten van raketaandrijving op astronauten vastgesnallen in de zetels van ruimtekapels te evalueren, financierten de Amerikaanse en Europese ruimteprogramma's de uitvinding van de Grumman-Alderson Research Dummy (GARD). De gezette astronaut moest perfect uitgelijnd zijn met de richting van de raketaandrijving, of zowel de man als de zetel zouden uit elkaar draaien. GARD was een belangrijke technologische stap omdat de processen van het lokaliseren van het zwaartepunt en het evalueren van het moment van inertie (de neiging om te draaien met versnelling) goed geïnstrumenteerd waren in deze duurzame dummy. GARD wordt nog steeds gebruikt om uitwervelingszetels te testen omdat de zetels bewegingsbereiken in deze mannequin beperken, ze eenvoudig genoeg houdend voor ingenieurs om rotaties, versnellingsgeschiedenis, en spanningen tussen de man en de zetel te meten.

Tot 1966 leidde de luchtvaartindustrie, militaire luchtvaart, en het ruimteprogramma de ontwikkeling van testdummies. De auto-industrie werd de drijvende kracht in de ontwikkeling van botsingstest-dummies dat jaar toen auto-ongelukken met doden de noodzaak benadrukten voor verbeteringen in de dummy's ribbekast, ruggengraat, bekken, en buikholte om retentiestelsels te evalueren. Wiskundige modellen en experimenten met afzonderlijke lichaamsbereiken toonden aan dat bewegingen gesimuleerd konden worden met veerverbindingen. De veren bewegen bij impact, en ze terugkaatsen ook, zodat effecten als whiplash bestudeerd kunnen worden. Tests van schootgordels concentreerden zich op letsels aan het bekken, maar de ontwikkeling van de schouderharnas vereiste dat de dummy een borstbeen (sternum), sleutelbeen, en schouderbladen had. De geharnaste dummy was uitgerust met een geïnstrumenteerde visceraal zak die de bewegingen van inwendige organen nam. Instrumentatie werd ook geïnstalleerd in holtes in de dijben, borst, en hoofd zodat meer gecompliceerde bewegingen en krachtdeflecties bestudeerd konden worden.

In 1970 was het duidelijk dat de volwassen, mannelijke dummy de kleinere proporties van kinderen en vrouwen niet nauwkeurig vertegenwoordigde. Feitelijk werden sommige letsels aan kleinere fysieken veroorzaakt door gordels en harnassen die veilig bleken door de gemiddelde dummy. Een groter mannelijk model en de eerste vrouwelijke dummy werden in 1970 geproduceerd en Sierra Stan en Sierra Susie genoemd. Datzelfde jaar voegden ze Sierra Sammy (zes jaar) en Sierra Toddler (drie jaar) toe aan hun familie. Noch het ene kind was correct in gewichtsverdeling, maar tenminste werden ze vertegenwoordigd en bestudeerd voor het eerst.

Het probleem van het evalueren van letsels bij kinderen was gecompliceerd doordat veel kinderen in auto-ongelukken gewond raken omdat ze staan of niet conventioneel zitten tijdens die ongelukken. Het bereik van bewegingen en potentiële impacten is daarom veel meer variabel voor onbeperkte herontwerpen van kinderdummies volgden onmiddellijk, en modificaties aan kinderdummies bleven het meest intens achtervolgte gebied van botsingstest-ontwerp van de jaren '70 tot de jaren '90. In de jaren '70 gaven verbeterde data de kinderen flexibelere skeletten en meer buigzame ledematen dan volwassenen, maakten ze aanpasbaar aan verschillende posities in de auto, en verbeterden instrumentatie zodat het bredere bereik van variabelen gemeten of geïnterpreteerd kon worden. Ontwikkeling en testen van kinderveiligheidszetels, oprijzetels, en airbags noodzakten speciale aandacht voor baby, peuters, en jongeren dummies.

Verbeteringen in computeranalyse revolusionerden ook botsingstesten in de mid jaren '70. Computermethoden maakten meting van bijna veertig verschillende parameters in het gedrag van testdummies mogelijk. Constructiematerialen werden ook verbeterd om realistische, volledig gewenste dummies mogelijk te maken. Om het gedrag van menselijke botten te repliceren, werden de dummy's botten vervaardigd van glasvezel met hogere breuksterkte zodat de dummy hergebruikt kon worden. Deze veelvoudige aanpassingen leidden tot meer en meer gespecialiseerde dummies, zodat modellen als de Supermorphic Dummy exclusief voor autobotsingstesten gemaakt werden—ze waren te kwetsbaar voor uitwervelingstesten.

Specialisaties in vliegtuigtestdummies omvatten de Limb Restraint Evaluator (LRE) Anthropomorphic Manikin, die speciaal gemaakt werd voor het testen van retentieapparaten om letsels door uitslagen tijdens uitwerveling van militaire straaljagers te voorkomen. Andere gespecialiseerde dummies testten experimentele parachutes, helikoptercrashes, en racewagens. Bijvoorbeeld, tests van crashes met racewagens (van het type gereden bij de Indianapolis 500-Mile Race of op het Championship Auto Racing Team [CART] circuit) toonden aan dat de zware racehelmen die bestuurders dragen hun hoofden beschermen tegen impacts schade, maar het helm's gewicht verhoogt het risico op nekletsels De eerste botsingstest-dummies geproduceerd tijdens de jaren 1950 en 1960 adreseren niet de verschillen tussen lichaamstypen. Die eerste dummies waren statistisch correcte volwassen mannen, en als zodanig deden ze weinig om de typische baby, kind, en vrouwelijke lichaamstypen te vertegenwoordigen. In 1970 waren de dummies' tekortkomingen duidelijk en werden verschillende lichaamstypen geproduceerd. omdat het de nek dwingt te verlengen. Impact van een Indy-wagen in een betonnen muur verlaagt de wagensnelheid met 64 km per uur in 70 milliseconden, en de bestuurder voelt een impact van 60 keer de zwaartekracht. De sensor "black box" in de dummy evalueert alle krachten aan het werk 2.000 keer per seconde terwijl de crash gaande is.

Test dummy technologie versnelde in ontwikkeling opnieuw met het ontwerp en testen van de airbag. De dummy familie werd verder gediversifieerd om nog meer lichaamstypen te omvatten. Dodelijke slachtoffers door airbag-uitklapping traden het meest voor bij personen buiten de statistische dimensies. Deze "kleine insitters uit positie" of OOP insitters stimuleerden meer evolutionaire veranderingen in de mannequins. Airbag-uitklapping onderwierp de dummies aan krachten die hun ontwerpmogelijkheden overschreden. Significante upgrades aan de dummy familie hadden plaatsgevonden in 1997 dankzij airbag-testen en ontwikkeling van zij-impact airbags.

Ruw materialen

Het lichaam van de botsingstest-dummy is gemaakt van metalen delen bestaande uit aluminium, brons, of staal (afhankelijk van ontwerp, doel, en lichaamsdelen) alsook metalen plateringsmaterialen. Een grote verscheidenheid aan kunststoffen wordt ook in de meeste ontwerpen geïncorporeerd, en de kunststoffen omvatten Delrin (een type langdurig acetaathars), urethane en polyurethane schuim, en vinyl. Meeste dummies zijn gekleed om realiteit te simuleren, en specifieke leveranciers leveren kleding, verf, en lijmmiddelen voor het markeren van kritische doelen of meetpunten op de dummies. In feite, niet alleen worden buitenleveranciers gebruikt voor veel dummy-constituenten, maar de federale testagentschappen die dummy-ontwerpen goedkeuren dicteren specifieke leveranciers die voor sommige materialen gebruikt moeten worden.

Dummyfabrikanten leveren weinig of geen instrumentatie. Ontwerpen voorzien ruimte voor instrumentatie te bevestigen, maar instrumentatie is zo specifiek aan de daadwerkelijke testomstandigheden dat de klanten van de dummybouwers hun eigen installeren. Sommige kleine potentiometers worden soms ingebouwd in de fabrikant's lijnen, maar meer gesophistikeerde instrumenten zoals versnellingsmeters en belastingmeetsensoren worden geselecteerd door de klant uit hun eigen instrumentpakketten of gespecialiseerde leveranciers.

Ontwerp

Het ontwerp van botsingstest-dummies is een ingewikkeld en geïsoleerd proces beperkt tot overheidsinstanties, dummyfabrikanten, en klanten zoals automobielfabrikanten. De dummy-makers zijn niet verantwoordelijk voor het creëren van hun eigen ontwerpen. In plaats daarvan ontvangen ze tekenpakketten, sets van constructiespecificaties, en specificaties voor vereiste testen van de National Traffic Safety Administration (NTSA). Europese agentschappen leveren vergelijkbare sets van documenten aan dummyfabrikanten. Gebaseerd op hun ervaringen in het bouwen van dummies, repareren of retrofitten ze, en het observeren van hun na-ongevals traumatiseren, hebben fabrikanten van dummies, evenals gebruikers, input in ontwerpveranderingen. De NTSA baseert zijn ontwerpen op een menigte van data waaronder ongevallenverslagen, locatie in een voertuig, variaties in fysiek en fysieke ontwikkeling, autopsieën, en simulaties. Biomechanica-experts analyseren alle beschikbare data en creëren de specificaties die naar de fabrikanten worden gestuurd.

Het productieproces

De productie van botsingstest-dummies is hoogst eigentijds vanwege de complexiteit van ontwerp en het kleine aantal gekwalificeerde fabrikanten ter wereld. Alle ontwerp en constructie voldoen aan een extreem hoge set standaarden er zijn geen "B-grade" botsingstest-dummies.

1. Wanneer het teken- en specificatiepakket voor een nieuwe botsingstest-dummy wordt ontvangen, begint de fabrikant met het bepalen welke onderdelen en materialen van specifieke leveranciers moeten worden aangeschaft, welke van een bereik van goedgekeurde leveranciers moeten worden verkregen, en welke intern geproduceerd moeten worden. Als voorbeelden, kleding voor de dummies wordt geleverd door een specifieke leverancier; maar, voor het schuim dat de vinylhuid ondersteunt, wordt de naamgeving van specifieke leveranciers vermeden, en de fabrikant hoeft alleen aan bepaalde equivalenten te voldoen.
2. Patronen en moulen voor metalen stukken die gesneden of gegoten moeten worden, worden gemaakt van de ontwerptekeningen, en benodigde tooling wordt gedaan om de metalen stukken te produceren. Ze worden gegoten, gesneden, warmtebehandeld tot drie keer, geplateerd, en gemachineerd om te trimmen, glad te maken, en te verfijnen. Uiteindelijk worden de metalen stukken gemonteerd met vastmakers die ook gespecificeerd zijn.
3. Kunststoffen worden op gelijke wijze ontworpen, getoold, en gevormd door injectievervorming of andere methoden geschikt voor het onderdeel en materiaal. Kunststoffen worden ook gemachineerd en gemonteerd of aangepast aan de metalen delen.
4. Na het monteren van het metaal en kunststof lichaam van de dummy, wordt de huid aan de dummy aangepast. Sommige huden bestaan uit vinyl dat op de dummy gevormd wordt met schuim geïnjecteerd onder de vinyl om een stevigheid en buigzaamheid te geven die het echte ding nabootsen. Andere huden bestaan uit stukken vinyl met schuimlagen. Deze stukken kunnen als kleding aan- en uitgehaald worden. De huid die het hoofd bedekt is één stuk dat over de aluminiumschedel past. Kleuren zijn ook erg belangrijk voor dummyhuid. Veel klanten willen vleeskleuren, maar huid met rode of gele kleurtonen wordt soms geprefereerd wanneer de dummy in geteste wordt gefilmd. De gele en rode tonen maken nauwkeurige meting van bewegingen op film makkelijker.
5. De dummy is ontworpen met openingen voor instrumentatie en bekabeling. Deze zitten in de grotere lichaamsdelen inclusief de schedel, borst, buikholte, en de dijben. Kleding wordt soms in de fabriek aan de dummies aangepast of aan de klant geleverd zodat de dummy na de instrumentatie kan worden aangekleed.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole is rigid gespecificeerd door de NTSA (of andere agentschappen) voordat productie überhaupt overwogen wordt. Dummy-monteurs zijn zich bewust dat hun "familie" geofferd zal worden voor de veiligheid van duizenden burgers, dus ze voelen een intense verantwoordelijkheid voor kwaliteitskwesties. Wanneer delen van het lichaam compleet zijn en wanneer het hele lichaam en hoofd gemonteerd zijn, gaat de dummy door een rigoureuze set tests in het kalibratielaboratorium, waar vereiste tests worden uitgevoerd en metingen worden gedaan om te bevestigen dat het product voldoet aan elk detail van de ontwerptekeningen en specificaties. Tests omvatten een hoofdvaltest, thorax (borst) impact De botsingstest-dummy is gemaakt van metalen delen bestaande uit aluminium, brons, of staal alsook metalen plateringsmaterialen. Een grote verscheidenheid aan kunststoffen wordt ook in de meeste ontwerpen geïncorporeerd, en omvatten Delrin (een type langdurig acetaathars), urethane en polyurethane schuim, en vinyl. Meeste dummies zijn gekleed om realiteit te simuleren, en specifieke leveranciers leveren kleding, verf, en lijmmiddelen voor het markeren van kritische doelen of meetpunten op de dummies. In feite, niet alleen worden buitenleveranciers gebruikt voor veel dummy-constituenten, maar de federale testagentschappen die dummy-ontwerpen goedkeuren dicteren specifieke leveranciers die voor sommige materialen gebruikt moeten worden. testen, en kalibratie van de schedel, nek, knieën, andere grote gewrichten, en soms andere delen van de ledematen afhankelijk van het gebruik van de dummy. Afhankelijk van het type fysiek dat de dummy vertegenwoordigt, zullen de testresultaten variëren. Een kinderhoofdmassa is bijvoorbeeld dramatisch kleiner dan een volwassene, daarom zal de hoofdvaltest heel anders zijn. Een set certificaten—een soort geboorteakte—blijft bij de dummy gedurende de nuttige levensduur om de kalibratietesten te bewijzen en voor gebruik in herbouw, retrofitting, en herkalibratie.

Bijproducten/Afval

Er zijn geen bijproducten van dummyproductie. Afval is beperkt tot metaal en kunststof dat gerecycled kan worden.

De toekomst

Computertechnologieën hebben de botsingstest-dummy aanpasbaar gemaakt aan de extremen van menselijke activiteit door ontwerpverbeteringen, testmethoden, miniaturisatie van instrumenten, en data-analyse. Uiteindelijk kan de computer echter fataal zijn voor de dummy-familie. Computersimulaties worden zo gesofisticeerd dat ze autobotsingen, schade aan het voertuig zelf, en letsels aan de insitters kunnen vertegenwoordigen. Simulaties zijn aantrekkelijk voor autofabrikanten omdat ze sommige, zo niet alle, destructieve testen elimineren, die ongeveer $750.000 per test kosten. Voertuiginsitters kunnen na gesimuleerde impact onderzocht worden, en de details van letsels aan het hoofd en de ruggengraat met name geanalyseerd. Tot drie maanden ontwerptijd kan verwijderd worden uit het ontwerp-productie schema voor een nieuw automodel, en nieuwe ontwerpen kunnen veiliger zijn voor een breder bereik van verschillende grote bestuurders en passagiers.

Dummyfabrikanten, aan de andere kant, insistieren dat hun families er zijn om te blijven. Meer modificaties en complexiteiten alsook technologische toepassingen hebben botsingstest-dummies betrouwbare barometers gemaakt voor voertuigprestaties. Overheidsagentschappen erkennen dit en vragen fabrikanten om dummies en sensoren te produceren die zich richten op zeer specifieke letsels. In 1995 richtte deze focus zich op onderbenen, beweging van de voeten, en schade aan Achillespezen veroorzaakt door frontale impacten. Nieuwe sensoren maakten de benen van de Hybrid 350 (gecertificeerd in 1997) lijken op die van een bionische man. In 1999 verschuifde de nadruk naar achterste impactbotsingen en het ontwikkelen van state-of-the-art wervels door samenwerkend onderzoek tussen agentschappen, universiteiten, en fabrikanten. Interesse groeit ook in huidsimulanten die blauw en afschuren tijdens ongevallen; data van deze ontwikkelingen zullen ook artsen helpen bij het verbeteren van behandelingen voor huidletsels. Net als zijn menselijke tegenhangers, blijft de botsingstest-dummy evolueren met het doel om onze levens en ledematen te redden.