Что именно происходит с человеческим телом при аварии? Автопроизводители всего мира выделили $18 млн, чтобы получить ответ на этот вопрос
Они действительно безмозглые, эти резиново-металлические гуманоиды с пустым взглядом и желто-черными метками. Долгие годы производители автомобилей запихивали их на сиденья, пристегивали ремнями безопасности и били машины об стену. Манекены, конечно, могут поведать о том, с какой скоростью голова врезается в подушку безопасности или с какой силой ремень безопасности давит на живот. Но они ничего не говорят о том, как действуют возникающие при аварии физические силы на подвергающиеся растяжениям и ударам сосуды, кости, мышцы и связки. А именно это и хотелось бы знать.
«Зафиксированы смертельные случаи без всяких признаков удара о какую-либо часть салона автомобиля», — говорит Саид Барбат, глава подразделения средств пассивной безопасности компании Ford Motor. Поэтому, чтобы воспроизвести истинную картину происходящего во время автокатастрофы, исследователи в университетах и лечебных исследовательских центрах, а также автопроизводители объединились, чтобы сделать манекен нового типа.
Он будет гораздо более сложным и более похожим на живого человека. Он сможет смоделировать внутренние повреждения, например разрыв аорты, ушиб почки и сотрясение мозга. Новый манекен поможет экспертам в области автомобильной безопасности принимать более взвешенные решения при конструировании салона. Но потрогать этот новый манекен не удастся. Он будет существовать лишь в компьютере.
Редкий случай солидарности в автопромышленности: в прошлом году девять автокомпаний и несколько поставщиков комплектующих сформировали исследовательский консорциум, главной задачей которого является создание полной цифровой модели человека. Работа над отдельными элементами этой модели ведется уже несколько десятилетий, но до сих пор результаты оказывались достаточно примитивными. Создание максимально полной цифровой модели человека требует координации работы многих программистов.
Лаборатории биомеханики нескольких университетов разрабатывают модели различных частей тела. Консорциум рассчитывает получить первый набор моделей взрослого человека — три мужчины и три женщины небольшого, среднего и большого размера — к марту 2011 года. Затем появятся модели детей.
Автомобильные компании могут лишь гадать, какое влияние окажут результаты этой работы на дизайн автомобилей. Салон, элементы которого нанесут наименьший урон при ударе. Руль, автоматически убирающийся в безопасное положение. Ремни безопасности, в течение 100 миллисекунд после аварии определяющие по данным сенсоров скорости и ускорения автомобиля, веса и положения тела пассажира нужную степень натяжения, чтобы не сломать ребра.
В некоторых случаях, когда предотвратить повреждение невозможно, инженеры постараются свести его к минимуму. Особенно тяжело восстановиться после повреждения губчатой части пяточной кости и верха большеберцовой кости. С помощью компьютерного моделирования инженеры смогут спроектировать салон автомобиля таким образом, чтобы сместить место возможного удара и перелома. «У вас может не быть выбора. Вы все равно получите перелом ноги, но мы сможем изменить место перелома», — поясняет Ричард Кент, доцент центра прикладной биомеханики Университета штата Вирджиния.
Автокомпании говорят, что тесты с использованием резиново-металлических манекенов все равно будут проводиться, но виртуальный манекен даст больше информации и сократит расходы. Нынешние манекены имеют около 70 датчиков, стоят от $100 000 до $125 000 за штуку и после эксперимента требуют замены многих частей. General Motors, к примеру, проводит 600 испытаний в год. Каждое обходится минимум в $300 000.
Да, появление новых средств безопасности и суровые наказания за непристегнутый ремень снизили смертность на дорогах во всем мире с 1,73 на 100 млн миль (160 млн км) в 1994 году до 1,47 в 2005-м, но автокомпании считают, что могут добиться лучших результатов. (Аналогичных данных по России, где пристегиваться ремнем безопасности считается чуть ли не дурным тоном, нет, но согласно статистике ГИБДД в 2006 году в ДТП на территории нашей страны погибло 32 724 человека.)
Виртуальные модели могут лучше представлять различные варианты телосложения человека. Жители Юго-Восточной Азии отличаются от европейцев удлиненным туловищем и более короткими ногами. Кости пожилых людей более хрупкие. Вероятностные расчеты могут быть усовершенствованы для разных типов телосложения и возрастов. «Это было бы неважно, если бы мы все были 18-летними парнями с молодым выносливым организмом. Но когда в аварию даже на скорости 16 км/ч попадет ваша бабушка, сломанное ребро через неделю вызовет пневмонию, а за этим последует смертельный исход. Защитить ее сегодня очень трудно», — говорит Ричард Кент.
[pagebreak]
Именно эту задачу и решает для консорциума Кент, подавший заявку на разработку модели грудной клетки. Он начал с создания «конечной модели элементов», основанной на изображениях, полученных методом магнитного резонанса и компьютерной томографии. Пока это только информационный каркас, который впоследствии будет наполнен данными. Кент исследует свойства тканей и органов животных и трупов, чтобы определить значения формы, размера, плотности, массы и десятка других коэффициентов, описывающих, как именно каждый кубический сантиметр виртуального тела будет деформироваться при воздействии определенной силы, действующей в определенном направлении.
Для полноты картины ему надо знать, как части тела связаны между собой, определить так называемые граничные условия. Модель аорты, например, должна учитывать множество мелких сосудов, отходящих от нее, а также соединительные ткани, например, артериальную связку между аортой и легочной артерией.
Затем Кенту надо будет проверить свою модель. Ткани трупов быстро становятся закоченевшими или размягченными, в них нет кровяного давления, так что в дело идут данные экспериментов на животных и гидродинамические модели, используемые кардиохирургами. Также используются данные экспериментов, моделирующих аварии на малых скоростях с участием живых людей. «У трупа — правильное строение, у животных — правильные свойства тканей, в сочетании получаем правильные результаты», — говорит Кент.
Для проверки модели он может использовать сведения, полученные в ходе расследований реальных автокатастроф. Ему помогут данные о тормозном пути автомобиля и точках соприкосновения тела с элементами салона машины. Плюс полное медицинское описание полученных повреждений.
В разработанной Кентом модели аорты, к примеру, большинство разрывов поперечные, происходят в перешейке и начинаются на интиме (внутренней оболочке аорты). Данные реальных катастроф это подтверждают. Два человека в машине принцессы Дианы погибли именно из-за разрыва аорты.
Нынешнее поколение виртуальных людей — это огромные массивы данных, но уже через несколько лет они будут казаться примитивными. Полное моделирование аварии с телом, составленным из 100 000 крошечных кубиков, займет около суток компьютерного времени. Задача консорциума — создать виртуальное тело с 1–3 млн кубиков. Сложное, но все еще далекое от совершенства.