Jaarlijks komen er talloze mensen om bij verkeersongevallen. Om de veiligheid van de inzittenden van voertuigen te verbeteren, het is al decennia gebruikelijk om crashtests uit te voeren met dummies. Deze crashtestdummies krijgen steeds meer virtuele ondersteuning in de vorm van computermodellen die het defensieve gedrag van mensen voor een botsing simuleren. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for High-Speed ​​Dynamics, Ernst-Mach-Institut, EMI behoren tot degenen die virtuele modellen van het menselijk lichaam gebruiken in crashsimulaties, die meer realistische conclusies over het letselrisico opleveren. In hun berekeningen de onderzoekers richten zich vooral op spierstijfheid, waarmee in eerdere onderzoeken geen rekening is gehouden.

Inzittenden van het voertuig nemen instinctief defensieve maatregelen om zich voor te bereiden op de impact. Ze spannen hun spieren en in het geval van de bestuurder, zich schrap zetten tegen het stuur terwijl ze hun voet op het rempedaal houden. Dit gedrag heeft invloed op de afloop van het ongeval. Omdat conventionele crashtestdummies niet kunnen reageren op een dreigende crash, ze kunnen niet worden gebruikt om menselijk gedrag te modelleren. In de automobielsector, daarom, digitale computermodellen worden steeds vaker gebruikt in eindige elementen (FE) simulaties om de houding van inzittenden kort voor een ongeval te reproduceren en zo de veiligheid van auto's te verbeteren. "Het spierstelsel heeft een grote invloed op hoe een inzittende van een voertuig kort voor een ongeval reageert en op de lichaamsbewegingen tijdens de crash. Er kunnen aanzienlijke, kritische verschillen in vergelijking met stijve en kinematisch beperkte crashtestdummies, " zegt dr. Matthias Boljen, wetenschapper bij Fraunhofer EMI.

De ingenieur en zijn team gebruiken digitale modellen van het menselijk lichaam als onderdeel van FE-simulaties. In de meest recente FE-tests, ze concentreerden zich op spierstijfheid bij het evalueren van de veiligheid van de inzittenden. De onderzoekers onderzochten de effecten van veranderingen in spierstijfheid op de kinematica van inzittenden, wat betekende dat we nieuwe wetenschappelijke gronden moesten inslaan. Eerder onderzoek had alleen bewegingsgeneratie gesimuleerd door spiercontractie in menselijke modellen, maar niet de spierstijfheid die samengaat met de contractie. "Als een bestuurder zich voor een aanrijding schrapt tegen het stuur, dit verkort niet alleen de spier, maar de spier wordt ook stijver door de samentrekking. In eerdere FE-simulaties van individuele spieren en spiergroepen in modellen voor het hele lichaam, het effect van spiercontractie werd volledig genegeerd, ’, legt de onderzoeker uit.

Deze omissie werd aangepakt door Niclas Trube, een collega van Boljen, die THUMS (Total Human Model for Safety) versie 5 gebruikte voor zijn onderzoeken. Hij definieerde vier verschillende stijfheidstoestanden en testte de invloed van deze veranderingen in een gesimuleerde frontale botsing. De conclusie was dat spierstijfheid een beslissende invloed heeft op het gedrag van voertuiginzittenden. Afhankelijk van de mate van stijfheid, verschillende soorten verwondingen kunnen worden verwacht bij een ongeval.

"Deze bevinding zou van groot belang kunnen zijn voor de verdere ontwikkeling van menselijke modellen, in het bijzonder met betrekking tot zelfrijdende auto's. Het interieur van voertuigen zal in de toekomst opnieuw worden ontworpen, wat betekent dat ook bestaande gordel- en airbagconcepten opnieuw zullen moeten worden beoordeeld. Menselijke modellen zijn daarbij een waardevol hulpmiddel, ' zegt Trube.

Verhoogde verkeersveiligheidseisen

Digitale menselijke modellen kunnen ook worden gebruikt voor de bescherming van voetgangers en fietsers. De noodzaak van actie op dit punt is aangetoond door recente studies, die getuigen van een toenemend aantal verrassende gevaarlijke situaties veroorzaakt door e-bikes. Elektrische scooters mogen vanaf later dit jaar op de openbare weg in Duitsland. Verkeersdeskundigen vrezen een verdere stijging van het aantal ongevallen. Met behulp van menselijke modellen, ongevalscenario's kunnen vooraf worden onderzocht. Afhankelijk van het defensieve gedrag, de frequentie en intensiteit van de optredende spanningen kan worden getest. Fabrikanten van bewakers, helmen en andere beschermingsmiddelen kunnen baat hebben bij de aanbevelingen.

Hoe het menselijk lichaam reageert op mechanische belastingen is niet alleen van belang voor de transportsector, echter, maar ook voor een verscheidenheid aan medische en ergonomische problemen. Hoe gedragen materialen die worden gebruikt in implantaten en prothesen zich in relatie tot menselijke botten wanneer ze onder plotselinge belasting komen te staan? Welke invloed hebben trillingen van elektrisch gereedschap op de gebruiker? "Menselijke modellen zijn ideaal voor dergelijke toepassingen, omdat we er realistische virtuele modellen mee kunnen maken, iets dat niet op dezelfde manier kan worden bereikt met experimenten, ' zegt Boljen.