Oräkneliga människor dör varje år i trafikolyckor. För att förbättra säkerheten för passagerare i fordon, det har varit brukligt i decennier att utföra krocktester med hjälp av dummies. Dessa krocktestdockor får alltmer virtuellt stöd i form av datormodeller som simulerar människors defensiva beteende före en kollision. Forskare vid Fraunhofer Institute for High-Speed ​​Dynamics, Ernst-Mach-Institut, EMI är bland dem som använder virtuella människokroppsmodeller i kraschsimuleringar, som ger mer realistiska slutsatser om skaderisken. I sina beräkningar, forskarna fokuserar särskilt på muskelstelhet, som inte har beaktats i tidigare utredningar.

Fordonspassagerare vidtar instinktivt defensiva åtgärder för att förbereda sig för kollisionen. De spänner sina muskler och, när det gäller föraren, spänna sig mot ratten samtidigt som man håller foten nedtryckt på bromspedalen. Detta beteende påverkar resultatet av olyckan. Eftersom konventionella krocktestdockor inte kan reagera på en förestående krasch, de kan inte användas för att modellera mänskligt beteende. Inom fordonssektorn, därför, digitala datormodeller används alltmer i finita element-simuleringar (FE) för att återskapa passagerarnas hållning kort före en olycka och på så sätt förbättra säkerheten för bilar. "Muskelsystemet har ett stort inflytande på hur en passagerare reagerar kort före en olycka och på kroppens rörelser under kraschen. Det kan vara betydande, kritiska avvikelser jämfört med stela och kinematiskt begränsade krocktestdockor, säger doktor Matthias Boljen, forskare vid Fraunhofer EMI.

Ingenjören och hans team använder digitala människokroppsmodeller som en del av FE-simuleringar. I de senaste FE-testerna, de fokuserade på muskelstelhet när de utvärderade passagerarnas säkerhet. Forskarna undersökte effekterna av förändringar i muskelstelhet på kinematiken hos de åkande, vilket innebar att bryta ny vetenskaplig mark. Tidigare forskning hade bara simulerat rörelsegenerering genom muskelkontraktion i mänskliga modeller, men inte muskelstelheten som går ihop med sammandragningen. "Om en förare stöder sig mot ratten före en kollision, detta förkortar inte bara muskeln, men muskeln blir också stelare genom sammandragningen. I tidigare FE-simuleringar av individuella muskler och muskelgrupper i helkroppsmodeller, effekten av muskelkontraktion ignorerades helt, " förklarar forskaren.

Denna utelämnande togs upp av Niclas Trube, en kollega till Boljen, som använde THUMS (Total Human Model for Safety) version 5 för sina undersökningar. Han definierade fyra olika tillstånd av stelhet och testade inverkan av dessa förändringar i en simulerad frontalkollision. Slutsatsen var att muskelstelhet har ett avgörande inflytande på de åkandes beteende. Beroende på graden av styvhet, olika typer av skador kan förväntas vid en olycka.

"Detta fynd kan vara av stor betydelse för den fortsatta utvecklingen av mänskliga modeller, i synnerhet när det gäller självkörande bilar. Fordonsinteriörer kommer att göras om i framtiden, vilket innebär att även befintliga bältes- och krockkuddskoncept kommer att behöva omvärderas. Mänskliga modeller är ett värdefullt verktyg för att göra detta, säger Trube.

Ökade krav på trafiksäkerhet

Digitala människomodeller kan också användas för att skydda fotgängare och cyklister. Behovet av åtgärder på detta sätt har visats av nyare studier, som vittnar om en ökad förekomst av överraskande farliga situationer orsakade av e-cyklar. Elektriska skotrar kommer att tillåtas på allmänna vägar i Tyskland från och med senare i år. Trafikexperter fruktar en ytterligare ökning av antalet olyckor. Använda mänskliga modeller, olycksscenarier kan utredas i förväg. Beroende på det defensiva beteendet, frekvensen och intensiteten av de spänningar som uppstår kan testas. Tillverkare av skydd, hjälmar och annan skyddsutrustning skulle kunna dra nytta av rekommendationerna.

Hur människokroppen reagerar på mekaniska påfrestningar är inte bara av intresse för transportsektorn, dock, men också för en mängd olika medicinska och ergonomiska problem. Hur beter sig material som används i implantat och proteser i förhållande till mänskliga ben när de utsätts för plötslig stress? Hur påverkar vibrationer från elverktyg användaren? "Mänskliga modeller är idealiska för sådana applikationer, eftersom vi kan skapa realistiska virtuella modeller med dem, något som inte kan uppnås på samma sätt med experiment, säger Boljen.