Una storia dettagliata di manichini da crash test

Il primo manichino da crash test fu la Sierra Sam creata nel 1949. Questo manichino per il crash test di un maschio adulto al 95 ° percentile è stato sviluppato da Sierra Engineering Co. con un contratto con l'Aeronautica degli Stati Uniti, da utilizzare per la valutazione dei posti di espulsione dell'aeromobile sulla slitta missilistica test. - Fonte FTSS

Nel 1997, i manichini per crash test Hybrid III di GM sono diventati ufficialmente lo standard del settore per i test di conformità alle normative governative sugli impatti frontali e airbag sicurezza. GM ha sviluppato questo dispositivo di prova quasi 20 anni prima nel 1977 per fornire uno strumento di misurazione biofidelica: manichini per crash test che si comportano in modo molto simile agli esseri umani. Come ha fatto con il suo design precedente, Hybrid II, GM ha condiviso questa tecnologia all'avanguardia con i regolatori governativi e il industria automobilistica. La condivisione di questo strumento è stata fatta in nome del miglioramento dei test di sicurezza e della riduzione delle lesioni e degli incidenti stradali in tutto il mondo. La versione del 1997 di Hybrid III è l'invenzione GM con alcune modifiche. Segna un'altra pietra miliare nel viaggio pionieristico della casa automobilistica per la sicurezza. Hybrid III è all'avanguardia per testare sistemi di ritenuta avanzati; GM lo utilizza da anni nello sviluppo di airbag ad impatto frontale. Fornisce un ampio spettro di dati affidabili che possono essere correlati agli effetti di incidenti su lesioni umane.

Hybrid III presenta una postura rappresentativa del modo in cui guidatori e passeggeri siedono sui veicoli. Tutti i manichini per crash test sono fedeli alla forma umana che simulano, in termini di peso, dimensioni e proporzione complessivi. Le loro teste sono progettate per rispondere come la testa umana in una situazione di incidente. È simmetrico e la fronte devia molto come farebbe una persona se colpita in a collisione. La cavità toracica ha una gabbia toracica in acciaio che simula il comportamento meccanico di un torace umano in caso di incidente. Il collo di gomma si piega e si allunga biofidelmente, e anche le ginocchia sono progettate per rispondere all'impatto, simile alle ginocchia umane. Il manichino del crash test Hybrid III ha un vinile skin ed è dotato di sofisticati strumenti elettronici tra cui accelerometri, potenziometri e celle di carico. Questi strumenti misurano il accelerazione, flessione e forze che subiscono varie parti del corpo durante la decelerazione dell'incidente.

Questo dispositivo avanzato viene continuamente migliorato ed è stato costruito su una base scientifica di biomeccanica, dati e input medici e test che hanno coinvolto cadaveri e animali umani. La biomeccanica è lo studio del corpo umano e di come si comporta meccanicamente. Le università hanno condotto ricerche biomeccaniche precoci utilizzando volontari umani vivi in ​​alcuni crash test molto controllati. Storicamente, l'industria automobilistica aveva valutato i sistemi di ritenuta usando test volontari con l'uomo.

Lo sviluppo di Hybrid III è servito da trampolino di lancio per far progredire lo studio delle forze d'urto e dei loro effetti su un infortunio umano. Tutti i precedenti manichini per crash test, persino l'ibrido I e II di GM, non erano in grado di fornire informazioni sufficienti per tradurre i dati dei test in progetti di riduzione degli infortuni per auto e camion. I manichini dei primi crash test erano molto rozzi e avevano uno scopo semplice: aiutare ingegneri e i ricercatori verificano l'efficacia delle restrizioni o delle cinture di sicurezza. Prima che GM sviluppasse Hybrid I nel 1968, i produttori fittizi non avevano metodi coerenti per produrre i dispositivi. Il peso e le dimensioni di base delle parti del corpo erano basati su studi antropologici, ma i manichini erano incoerenti da un'unità all'altra. La scienza dei manichini antropomorfi era agli inizi e la loro qualità di produzione variava.

Durante gli anni '60, i ricercatori GM hanno creato Hybrid I fondendo le parti migliori di due manichini primitivi. Nel 1966, Alderson Research Laboratories produsse la serie VIP-50 per GM e Ford. Fu anche usato dal National Bureau of Standards. Questo è stato il primo manichino fabbricato appositamente per l'industria automobilistica. Un anno dopo, Sierra Engineering ha introdotto Sierra Stan, un modello competitivo. Né gli ingegneri GM soddisfatti, che hanno creato il proprio manichino combinando le migliori caratteristiche di entrambi - da qui il nome Hybrid I. GM ha utilizzato questo modello internamente, ma ha condiviso il suo design con i concorrenti attraverso riunioni speciali del comitato presso la Society of Automotive Engineers (SAE). Ibrido I era più resistente e produceva risultati più ripetibili rispetto ai suoi predecessori.

L'uso di questi primi manichini è stato innescato dai test delle forze aeree statunitensi che erano stati condotti per sviluppare e migliorare i sistemi di ritenuta e di espulsione del pilota. Dalla fine degli anni Quaranta ai primi anni Cinquanta, i militari hanno usato manichini e slitte per crash test per testare una varietà di applicazioni e la tolleranza umana alle lesioni. In precedenza avevano utilizzato volontari umani, ma l'aumento degli standard di sicurezza richiedeva test di velocità più elevati e le velocità più elevate non erano più sicure per i soggetti umani. Per testare le imbracature di ritenuta del pilota, una slitta ad alta velocità è stata spinta dai motori a razzo e accelerata fino a 600 mph. Col. John Paul Stapp ha condiviso i risultati della ricerca fittizia sull'aeronautica nel 1956 alla prima conferenza annuale che coinvolge i produttori di automobili.

Più tardi, nel 1962, la GM Proving Ground introdusse la prima slitta da impatto automobilistica (slitta HY-GE). Era in grado di simulare le forme d'onda di accelerazione di collisione effettive prodotte da auto su larga scala. Quattro anni dopo, GM Research ha creato un metodo versatile per determinare l'entità del rischio di lesioni prodotte durante la misurazione delle forze di impatto sui manichini antropomorfi durante i test di laboratorio.

Ironia della sorte, l'industria automobilistica ha fatto passi da gigante aereo produttori in questa competenza tecnica nel corso degli anni. Le case automobilistiche hanno lavorato con l'industria aeronautica a metà degli anni '90 per renderle più veloci con i progressi nei crash test relativi alla tolleranza umana e agli infortuni. I paesi della NATO erano particolarmente interessati alla ricerca sugli incidenti automobilistici perché c'erano problemi in elicottero si schianta e con espulsioni ad alta velocità di piloti. Si pensava che i dati automatici potessero contribuire a rendere gli aerei più sicuri.

Quando il Congresso approvò il National Traffic and Motor Vehicle Safety Act del 1966, la progettazione e la produzione di automobili divenne un settore regolamentato. Poco dopo, è iniziato un dibattito tra il governo e alcuni produttori sulla credibilità dei dispositivi di test come i manichini da incidente.

Il National Highway Safety Bureau ha insistito affinché il manichino VIP-50 di Alderson fosse utilizzato per la convalida sistemi di ritenuta. Avevano bisogno di 30 miglia all'ora frontalmente, test di barriera su una parete rigida. Gli oppositori hanno affermato che i risultati della ricerca ottenuti dai test con questo manichino da crash test non erano ripetibili dal punto di vista della produzione e non erano definiti in termini ingegneristici. I ricercatori non hanno potuto fare affidamento sulle prestazioni costanti delle unità di test. I tribunali federali hanno concordato con questi critici. GM non ha preso parte alla protesta legale. Invece, GM ha migliorato il manichino del crash test Hybrid I, rispondendo ai problemi sorti nelle riunioni del comitato SAE. GM ha sviluppato disegni che definiscono il manichino per crash test e ha creato test di calibrazione che standardizzerebbero le sue prestazioni in un ambiente di laboratorio controllato. Nel 1972 GM consegnò i disegni e le calibrazioni ai produttori fittizi e al governo. Il nuovo manichino per crash test GM Hybrid II ha soddisfatto il tribunale, il governo e i produttori è diventato lo standard per i crash test frontali per conformarsi alle normative automobilistiche statunitensi per la moderazione sistemi. La filosofia di GM è sempre stata quella di condividere l'innovazione fittizia dei crash test con i concorrenti e di non ottenere profitti nel processo.

Nel 1972, mentre GM condivideva Hybrid II con l'industria, gli esperti di GM Research iniziarono uno sforzo rivoluzionario. La loro missione era quella di sviluppare un manichino da crash test che riflettesse più accuratamente la biomeccanica del corpo umano durante un incidente automobilistico. Questo sarebbe chiamato Hybrid III. Perché era necessario? GM stava già conducendo test che superavano di gran lunga i requisiti del governo e gli standard di altri produttori nazionali. Sin dall'inizio, GM ha sviluppato tutti i suoi manichini per crash per rispondere a una particolare necessità di una misurazione di prova e di un design di sicurezza avanzato. Gli ingegneri avevano bisogno di un dispositivo di prova che consentisse loro di effettuare misurazioni in esperimenti unici che avevano sviluppato per migliorare la sicurezza dei veicoli GM. L'obiettivo del gruppo di ricerca di Hybrid III era quello di sviluppare un manichino di crash test di terza generazione, simile all'uomo, le cui risposte fossero più vicine ai dati biomeccanici rispetto al manichino di crash test Hybrid II. Il costo non è stato un problema.

I ricercatori hanno studiato il modo in cui le persone sedevano nei veicoli e il rapporto tra la loro postura e la posizione degli occhi. Hanno sperimentato e modificato i materiali per creare il manichino e hanno preso in considerazione l'aggiunta di elementi interni come una gabbia toracica. La rigidità dei materiali riflette i dati biomeccanici. Sono stati utilizzati macchinari di controllo numerico accurati per produrre costantemente il manichino migliorato.

Nel 1973, GM tenne il primo seminario internazionale con i maggiori esperti mondiali per discutere le caratteristiche di risposta all'impatto umano. Ogni incontro precedente di questo tipo si era concentrato sulle lesioni. Ma ora GM voleva indagare sul modo in cui le persone rispondevano durante gli incidenti. Con questa intuizione, GM ha sviluppato un manichino da incidente che si è comportato in modo molto più vicino agli umani. Questo strumento ha fornito dati di laboratorio più significativi, consentendo modifiche di progettazione che potrebbero effettivamente aiutare a prevenire lesioni. GM è stata leader nello sviluppo di tecnologie di collaudo per aiutare i produttori a rendere auto e camion più sicuri. GM ha anche comunicato con il comitato SAE durante questo processo di sviluppo per raccogliere input da produttori di auto e manichini. Solo un anno dopo l'inizio della ricerca su Hybrid III, GM ha risposto a un contratto governativo con un manichino più raffinato. Nel 1973, GM creò la GM 502, che prese in prestito le prime informazioni apprese dal gruppo di ricerca. Comprendeva alcuni miglioramenti posturali, una nuova testa e migliori caratteristiche articolari. Nel 1977, GM rese disponibile in commercio Hybrid III, comprese tutte le nuove funzionalità progettuali che GM aveva studiato e sviluppato.

Nel 1983, GM ha presentato una petizione alla National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) per il permesso di utilizzare Hybrid III come dispositivo di prova alternativo per la conformità del governo. GM ha inoltre fornito all'industria i suoi obiettivi per prestazioni fittizie accettabili durante i test di sicurezza. Questi obiettivi (valori di riferimento per la valutazione degli infortuni) sono stati fondamentali nella traduzione dei dati dell'ibrido III in miglioramenti della sicurezza. Quindi, nel 1990, GM chiese che il manichino Hybrid III fosse l'unico dispositivo di prova accettabile per soddisfare i requisiti del governo. Un anno dopo, l'International Standards Organization (ISO) ha approvato una risoluzione unanime che riconosce la superiorità di Hybrid III. Hybrid III è ora lo standard per i test di impatto frontali internazionali.

Nel corso degli anni, Hybrid III e altri manichini hanno subito numerosi miglioramenti e modifiche. Ad esempio, GM ha sviluppato un inserto deformabile che viene utilizzato di routine nei test di sviluppo GM per indicare qualsiasi movimento della cintura addominale dalla pelvi all'addome. Inoltre, il SAE riunisce i talenti delle case automobilistiche, dei fornitori di componenti, dei produttori fittizi e delle agenzie governative degli Stati Uniti negli sforzi cooperativi per migliorare la capacità dei test fittizi. Un recente progetto SAE del 1966, in collaborazione con NHTSA, ha migliorato l'articolazione della caviglia e dell'anca. Tuttavia, i produttori fittizi sono molto prudenti nel cambiare o migliorare i dispositivi standard. In generale, un produttore di automobili deve prima dimostrare la necessità di una valutazione di progettazione specifica per migliorare la sicurezza. Quindi, con l'accordo del settore, è possibile aggiungere la nuova capacità di misurazione. SAE funge da stanza di compensazione tecnica per gestire e minimizzare queste alterazioni.

Quanto sono precisi questi dispositivi di prova antropomorfi? Nel migliore dei casi, sono predittori di ciò che può accadere generalmente sul campo perché non esistono due persone reali uguali per dimensioni, peso o proporzioni. Tuttavia, i test richiedono uno standard e i manichini moderni hanno dimostrato di essere prognosticatori efficaci. I manichini per crash test dimostrano costantemente che i sistemi standard di cintura di sicurezza a tre punti sono vincoli molto efficaci e che i dati resistono bene rispetto ai crash del mondo reale. Le cinture di sicurezza riducono il 42% delle morti per incidente. L'aggiunta di airbag aumenta la protezione a circa il 47 percento.

I test sugli airbag alla fine degli anni Settanta hanno generato un'altra necessità. Sulla base di test con manichini rozzi, gli ingegneri GM sapevano che i bambini e gli occupanti più piccoli potevano essere vulnerabili all'aggressività degli airbag. Gli airbag devono gonfiarsi a velocità molto elevate per proteggere gli occupanti in caso di incidente, letteralmente in meno di un battito di ciglia. Nel 1977 GM sviluppò il manichino airbag per bambini. I ricercatori hanno calibrato il manichino usando i dati raccolti da uno studio su piccoli animali. Il Southwest Research Institute ha condotto questi test per determinare quali impatti i soggetti potrebbero sostenere in modo sicuro. Successivamente GM condivise i dati e il design attraverso il SAE.

GM aveva anche bisogno di un dispositivo di prova per simulare una piccola femmina per il test degli airbag conducente. Nel 1987 GM trasferì la tecnologia Hybrid III in un manichino che rappresentava una femmina del 5 ° percentile. Sempre alla fine degli anni '80, il Center for Disease Control ha emesso un contratto per una famiglia di manichini Hybrid III per testare le restrizioni passive. Ohio State University ha vinto il contratto e ha cercato l'aiuto di GM. In collaborazione con un comitato SAE, GM ha contribuito allo sviluppo della famiglia fittizia Hybrid III, che includeva un maschio del 95 ° percentile, una piccola femmina, un bambino di sei anni, un bambino fittizio e un nuovo di tre anni. Ognuno ha la tecnologia Hybrid III.

Nel 1996, GM, Chrysler e Ford si preoccuparono delle lesioni causate dall'inflazione degli airbag e fecero una petizione al governo attraverso l'American Automobile Manufacturers Association (AAMA) per indirizzare gli occupanti fuori posizione durante l'airbag distribuzioni. L'obiettivo era quello di implementare le procedure di test approvate dall'ISO - per le quali viene utilizzato il manichino femmina di piccole dimensioni test sul lato conducente e sui manichini di sei e tre anni, nonché un manichino infantile per il passeggero lato. Un comitato SAE ha successivamente sviluppato una serie di manichini infantili con uno dei principali produttori di dispositivi di prova, First Technology Safety Systems. Sono ora disponibili manichini di 6 mesi, 12 mesi e 18 mesi per testare l'interazione degli airbag con i sistemi di ritenuta per bambini. Conosciuti come CRAMI o manichini di interazione con airbag di ritenuta per bambini, consentono di testare i sistemi di ritenuta per bambini rivolti all'indietro quando posizionati nella parte anteriore, il sedile del passeggero è dotato di un airbag. Le varie dimensioni e tipi fittizi, disponibili in dimensioni piccole, medie e molto grandi, consentono a GM di implementare una vasta matrice di test e tipi di incidente. La maggior parte di questi test e valutazioni non sono obbligatori, ma GM conduce regolarmente test non richiesti dalla legge. Negli anni '70, gli studi sull'impatto laterale richiedevano un'altra versione dei dispositivi di prova. NHTSA, in collaborazione con il centro di ricerca e sviluppo dell'Università del Michigan, ha sviluppato un manichino speciale a impatto laterale, o SID. Gli europei hanno quindi creato l'EuroSID più sofisticato. Successivamente, i ricercatori GM hanno dato un contributo significativo attraverso il SAE allo sviluppo di un dispositivo più biofidelico chiamato BioSID, che viene ora utilizzato nei test di sviluppo.

Negli anni '90, l'industria automobilistica statunitense ha lavorato per creare un manichino speciale per piccoli occupanti per testare gli airbag ad impatto laterale. Tramite USCAR, un consorzio formato per condividere tecnologie tra vari settori industriali e dipartimenti governativi, GM, Chrysler e Ford hanno sviluppato congiuntamente SID-2. Il manichino imita le piccole femmine o gli adolescenti e aiuta a misurare la loro tolleranza al gonfiaggio dell'airbag ad impatto laterale. I produttori statunitensi stanno collaborando con la comunità internazionale per creare questo dispositivo più piccolo e ad impatto laterale come la base di partenza per un manichino adulto da utilizzare nello standard internazionale per le prestazioni di impatto laterale misurazione. Stanno incoraggiando l'accettazione degli standard di sicurezza internazionali e stanno costruendo il consenso per armonizzare metodi e test. L'industria automobilistica è fortemente impegnata nell'armonizzazione di standard, prove e metodi poiché sempre più veicoli vengono venduti su un mercato globale.

Qual è il futuro? I modelli matematici di GM forniscono dati preziosi. I test matematici consentono anche più iterazioni in un tempo più breve. La transizione di GM dai sensori meccanici ad airbag elettronici ha creato un'opportunità entusiasmante. I sistemi di airbag presenti e futuri hanno "registratori di volo" elettronici come parte dei loro sensori di crash. La memoria del computer acquisirà i dati sul campo dall'evento di collisione e memorizzerà le informazioni sugli arresti anomali mai disponibili prima. Con questi dati del mondo reale, i ricercatori saranno in grado di convalidare i risultati di laboratorio e modificare manichini, simulazioni al computer e altri test.

"L'autostrada diventa il laboratorio di prova e ogni incidente diventa un modo per imparare di più su come proteggere le persone", ha dichiarato Harold "Bud" Mertz, un esperto di sicurezza e biomeccanico GM in pensione. "Alla fine, potrebbe essere possibile includere registratori di incidenti per collisioni in tutta la macchina."

I ricercatori GM perfezionano costantemente tutti gli aspetti dei crash test per migliorare i risultati di sicurezza. Ad esempio, poiché i sistemi di ritenuta aiutano a eliminare sempre più catastrofici lesioni alla parte superiore del corpo, gli ingegneri della sicurezza stanno notando un trauma invalidante, alla parte inferiore della gamba. I ricercatori GM stanno iniziando a progettare risposte migliori per i manichini. Hanno anche aggiunto "pelle" al collo per evitare che gli airbag interferiscano con le vertebre del collo durante i test.

Un giorno, i "manichini" di computer sullo schermo possono essere sostituiti da umani virtuali, con cuori, polmoni e tutti gli altri organi vitali. Ma non è probabile che quegli scenari elettronici sostituiranno la realtà nel prossimo futuro. I manichini da incidente continueranno a fornire ai ricercatori GM e ad altri spunti e informazioni notevoli sulla protezione dagli incidenti degli occupanti per molti anni a venire.

Un ringraziamento speciale a Claudio Paolini