Praktiska och miljövänliga, e-skotrar erbjuder stor flexibilitet. Det är inte konstigt att fler och fler använder denna form av transport. Denna ökning i popularitet har dock åtföljts av en ökning av olyckor som resulterat i allvarliga skador.

Risken förknippad med dessa snabba runabouts är allmänt underskattad. Som svar på detta studerade Fraunhofer-forskare ett typiskt olycksscenario och tillhörande skador som en del av HUMAD-projektet. Experterna testade också nya material för hjälmar och skyddsutrustning. Dessa skulle kunna ge mycket bättre skydd än konventionella produkter.

Framtiden för mobilitet är redan här:en hel rad nya fordonstyper som e-cyklar, lastcyklar och elektriska skotrar (även kända som e-skotrar) susar runt i våra städer. Nya möjligheter för både flexibel och miljövänlig mobilitet öppnar sig – men detta innebär också nya faror och säkerhetsrisker.

Farorna förknippade med e-skotrar, eller "personliga lätta elektriska fordon" som de officiellt kallas, är ganska tydliga. Det tyska federala statistiska kontorets siffror ger avgörande bevis för detta:2020 registrerade Tyskland totalt 2 155 olyckor med e-skotrar, där fem personer dog och 386 skadades allvarligt.

I 75 procent av fallen var elscooterföraren ansvarig för olyckan. Särskilt vanliga var olyckor där föraren tappade kontrollen över sitt fordon. Orsakerna var ofta fortkörning eller körning i fel riktning. I många fall spelade alkohol en roll.

Krocktester och simuleringar

Forskare vid Fraunhofer Institute for High-Speed ​​Dynamics, Ernst-Mach-Institut, EMI och Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, som båda finns i Freiburg, startade en studie om e-scooterkrocksäkerhet inom ramen för HUMAD (Human Accident Dynamics) forskningsprojekt.

Syftet var att undersöka förloppet av typiska olyckor, fastställa den tillhörande skaderisken och samtidigt bedöma lämpligheten av skyddsutrustning som hjälmar och knäskydd. Fraunhofer EMI ansvarade för krocktesterna, medan teamet på Fraunhofer IWM analyserade skyddsutrustningen. Båda instituten har lång erfarenhet av olycksforskning.

Dr Matthias Boljen, chef för forskningsgruppen Human Body Dynamics vid Fraunhofer EMI, och hans team använde exemplet med en kollision med en trottoarkant för att fokusera på en mycket vanlig typ av e-skoterolycka:singelkrock (en olycka inte involverar en annan trafikant).

"Vi arbetade med en krocktestdocka, precis som i krocktester som genomfördes inom bilindustrin. Dummyn placerades på en kopia av e-scootermodellen och kördes mot en trottoarkant i vinklar på 60° och 90° och i hastigheter på 10, 20 och 30 km/h", förklarar Boljen.

Under testerna visade höghastighetskameror hur kroppen slungas upp i luften, flyger över styret och kastas flera meter – beroende på islagshastigheten – innan den kraschar mot marken. Krocktesterna visade att allvarliga skador, särskilt huvudskador, kan uppstå för alla testade scenarier. "Det var smärtsamt att bara titta på filmerna under analysen", säger Boljen. Knäna riskerar också att skadas.

Olika variabler:hastighet och kollisionsvinkel

Parallellt med krocktesterna analyserade Boljen och hans team också olycksscenariot i finita element-simuleringar. E-skotern och föraren reproducerades digitalt och lagarna för bevarande av momentum, massa och energi samt materialegenskaperna hos fordonet och den mänskliga modellen definierades. I analysen visade simuleringsmjukvaran vilka accelerationer som verkar på huvudet och knäna.

Experterna använde sedan dessa värden för att fastställa sannolikheten för att vissa skador skulle uppstå på dessa kroppsdelar. "Krocktesterna med dummyn och numeriska simuleringar med den mänskliga modellen ledde båda till samma slutsats", förklarar Boljen. Även vid en till synes låg hastighet på endast 10 km/h resulterar en kollision i 90° vinkel i enorma accelerationer på 170 g på människokroppen.

Att bära hjälm och skyddsutrustning rekommenderas därför starkt, eftersom dessa minskar sannolikheten för allvarliga skador. "Däremot kan ingen hjälm förhindra att accelerationerna verkar på huvudet vid en direkt kollision, de kan bara minska vissa komponenter av dessa till viss del. Strängt taget finns risken för traumatisk hjärnskada oavsett om föraren bär hjälm eller inte", förklarar Boljen.

Behov av forskning om hjälmar och skyddsutrustning

Forskarna upptäckte också att huvudkollisionshastigheten uppmätt i simuleringen överstiger den maximala kollisionshastigheten på 5,4 m/s som anges i teststandarden DIN EN 1078 för cykelhjälmssäkerhet. Med andra ord, konventionella cykelhjälmar och skyddsutrustning minskar svårighetsgraden av stöten, men erbjuder inte ett fullständigt skydd vid kollisioner med hårda föremål.

Det är här expertisen hos forskarna vid Fraunhofer IWM kommer in i bilden. I mer än 50 år har de analyserat material och bedömt deras lämplighet för vissa tillämpningar. För detta ändamål använder de även krocktester och utför andra tester för att fastställa mekaniska effekter på material. I HUMAD undersökte de nya materials lämplighet och skyddande effekt.

Innovativa skyddskoncept baserade på bionik

Dr Jörg Lienhard, ansvarig för lättviktskonstruktion inom affärsenheten Component Safety and Lightweight Construction, förklarar:"Skyddsutrustning använder ofta plast med bikakestruktur. Våra tester i laboratoriet visade att material med en TPMS-struktur (triply periodic minimal surface) erbjöd mycket bättre skydd mot kinetiska effekter." TPMS-strukturen kännetecknas av återkommande element som bildar en "luftig" öppen struktur.

Denna struktur är särskilt bra på att fördela kinetisk energi från stötar över ytan, vilket minskar trycket på stötområdena. Konceptet kommer från bionik, med inspiration från naturen. Till exempel har kitinexoskeletten hos insekter denna typ av struktur.

TPMS-hjälmar och skyddsutrustning kan 3D-utskrivas med alla typer av material. Enligt Fraunhofer IWM-experten Lienhard, förutom FDM-processen (fused deposition modeling) för termoplaster och konventionell stereolitografi, är DLP-metoden (digital light processing) särskilt väl lämpad för storskalig produktion av plaststrukturer.

Det liknar stereolitografi genom att arbetsstycket byggs lager för lager. Däremot använder DLP UV-ljus som genereras av en projektor, vilket innebär att hela lagret kan härdas på en gång. Flera lager ovanpå varandra ger materialet dess önskade form och struktur. Materialet härdas med bestrålning. På oexponerade områden rinner materialet helt enkelt av och lämnar efter sig håligheter som är karakteristiska för TPMS-material.

3D-utskriftsprocesser är mycket flexibla och gör det möjligt att tillverka säkerhetsrelaterade komponenter eller till och med fordonsdelar individuellt för varje applikation och dess typiska riskprofil – med DLP är detta nu möjligt i större skala.

Slutsats av HUMAD-projektet:tack vare sitt lilla utrymmesbehov och flexibilitet erbjuder e-skotrar en miljövänlig lösning för mobilitet i stadsområden. Det är dock viktigt att behandla dem som om du skulle göra en bil – att köra säkert och ansvarsfullt. Hjälm och skyddsutrustning ska alltid bäras där det är möjligt.

Med tanke på framtiden för stadsmobilitet hoppas Fraunhofer-forskare på att skyddsutrustning som hjälmar och knäskydd samt speciella ljuskrockdämpare, som är speciellt utformade för vissa fordon och tillämpningsscenarier, kommer att göras tillgängliga.

Fraunhofers experter planerar redan nästa fas av krocktester och simuleringar. Dessa ska även undersöka förarens reflexrörelser vid en olycka och hur dessa påverkar skaderisken. + Utforska vidare

Studie av skoterolyckor använder simuleringar för att föreslå sätt förare kan minska hjärnskador