Boneco de Teste de Colisão: A Réplica Humana de Alta Tecnologia que Salva Vidas

Contexto

Como um manequim de moda, o boneco parece humano, mas suas belezas mais do que superficiais consistem de instrumentação de alta tecnologia e físico de última geração. E como a versão do ventríloquo, o boneco de teste de colisão não fala exceto em uma série altamente eficaz de comerciais de TV para segurança de cinto de segurança.

Agências de segurança rodoviária ao redor do mundo confiam no teste de resistência a colisão no qual um automóvel é arremessado contra uma parede de tijolos para observar danos e gerar dados sobre o desempenho do carro. Os ocupantes do veículo de teste são bonecos de teste de colisão (propriamente chamados "Dispositivos de Teste Antropomórficos") que são fabricados para se assemelhar e responder como corpos humanos e que são carregados com instrumentação sofisticada. Os instrumentos registram informações sobre aceleração, velocidade, desaceleração no impacto, força de impacto, e os vários movimentos e deformações do torso e membros de cada boneco. Esses dados são estudados por engenheiros de segurança e relacionados a comportamentos de ocupantes humanos e suas potenciais lesões.

O método de teste de colisão tem falhas maiores apesar de sua aceitação universal. O automóvel (ou outro veículo) é parcial ou totalmente danificado, dependendo do objetivo do teste. Os bonecos podem ser adaptados e reutilizados muitas vezes, mas sua capacidade de responder com todas as complexidades dos corpos humanos está sempre sendo aperfeiçoada.

História

Antes do final dos anos 1940, automóveis eram testados usando cadáveres. Lesões podiam ser observadas em corpos reais, mas cadáveres não respondiam como seres respirando e flexíveis. Bonecos de teste de colisão foram desenvolvidos em 1949 sob contrato para a Força Aérea dos EUA para testar assentos de ejeção de aeronaves montados em trenós propulsados por foguetes em trilhos. "Sierra Sam" foi o primeiro boneco. A indústria automotiva depois usou o mesmo tipo de boneco para desenvolver cintos de colo e arreios de ombro. Sierra Sam se assemelhava ao homem adulto médio com peso estatisticamente correto e membros articulados; no entanto, a coluna e pescoço de Sam eram rígidos. A aceleração de sua cabeça ao seguir o caminho de ejeção podia ser medida, mas isso estava longe de ser suficiente para avaliar potenciais lesões na cabeça.

Em 1952, Mark 1 foi fabricado a partir de molde de gesso de um homem vivo, e este boneco marcou enorme melhoria no estado da arte. Seu crânio abrigava sensores para medir aceleração e força de impacto, e era fundido em duas peças de alumínio. A coluna de Mark 1 consistia em uma série de juntas esféricas com espaçadores para simular amplitude de movimento de uma coluna real. O boneco também tinha um conjunto de costelas de tubos de aço, pele de vinil e carne de espuma, mas membros rígidos. Outros bonecos desenvolvidos até 1956 foram modificados e instrumentados para medir uma faixa selecionada de movimentos. Bonecos de tamanhos e pesos diferentes da média foram feitos pela primeira vez, e esses bonecos pós-Mark 1 foram usados para testar segurança de tratores, trajes de homens-rã para fugas subaquáticas, e aspectos de voo e segurança de pesquisa espacial para a NASA.

Programas espaciais motivaram os próximos avanços no design de bonecos. Para avaliar efeitos de impulso de foguete em astronautas presos nos assentos de cápsulas espaciais, os programas espaciais americanos e europeus financiaram a invenção do Boneco de Pesquisa Grumman-Alderson (GARD). O astronauta sentado tinha que estar perfeitamente alinhado com a direção do impulso do foguete, ou tanto o homem quanto o assento torceriam fora do lugar. GARD foi passo tecnológico importante porque os processos de localização do centro de gravidade e avaliação do momento de inércia (tendência a rotacionar com aceleração) foram bem instrumentados neste boneco durável. GARD ainda é usado para testar assentos de ejeção porque os assentos restringem faixas de movimento neste manequim mantendo-os simples o suficiente para engenheiros medirem rotações, histórico de aceleração e tensões entre o homem e o assento.

Até 1966, a indústria da aviação, aeronáutica militar e programa espacial lideraram o desenvolvimento de bonecos de teste. A indústria automotiva tornou-se a força motriz no desenvolvimento de bonecos de teste de colisão naquele ano, já que fatalidades automobilísticas enfatizaram a necessidade de melhorias na caixa torácica, coluna, pelve e cavidade abdominal do boneco para avaliar sistemas de retenção. Modelos matemáticos e experimentos com faixas separadas do corpo mostraram que movimentos podiam ser simulados com conexões de mola. As molas movem-se no impacto e também rebatem, então efeitos como chicotada podem ser estudados. Testes de cintos de segurança de colo concentraram-se em lesões na pelve, mas desenvolvimento do arreio de ombro requereu que o boneco tivesse esterno, clavículas e omoplatas. O boneco com arreio foi equipado com saco visceral instrumentado que imitava movimentos de órgãos internos. Instrumentação também foi instalada em cavidades nas coxas, tórax e cabeça para que movimentos mais complicados e deflexões de força pudessem ser estudados.

Em 1970, tornou-se aparente que o boneco masculino de tamanho adulto não representava com precisão as proporções menores de crianças e fêmeas. De fato, algumas lesões nos físicos menores eram causadas por cintos e arreios que foram provados seguros pelo boneco médio. Um modelo masculino maior e o primeiro boneco feminino foram produzidos em 1970 e nomeados Sierra Stan e Sierra Susie. No mesmo ano, adicionaram à família com Sierra Sammy (seis anos) e Sierra Toddler (três anos). Nenhuma criança estava correta em distribuição de peso, mas pelo menos foram representadas e estudadas pela primeira vez.

O problema de avaliar lesões em crianças foi complicado pelo fato de que muitas crianças são feridas em acidentes automobilísticos porque estão em pé ou não sentadas convencionalmente durante esses acidentes. A faixa de movimentos e impactos potenciais são, portanto, muito mais variáveis para crianças sem retenção. Redesenho dos bonecos infantis seguiu imediatamente, e modificações nos bonecos infantis continuaram a ser a área mais intensamente perseguida do design de teste de colisão dos anos 1970 até os 1990. Nos anos 1970, dados melhorados deram às crianças esqueletos mais flexíveis e juntas de membros mais flexíveis que adultos, tornaram-nas adaptáveis a várias posições no carro, e melhoraram instrumentação para que a faixa mais ampla de variáveis pudesse ser medida ou interpretada. Desenvolvimento e teste de cadeirinhas de segurança infantil, assentos de elevação e airbags necessitaram atenção especial para bonecos de bebê, criança pequena e jovem.

Melhorias em análise computacional também revolucionavam testes de colisão em meados dos anos 1970. Métodos computacionais permitiram medição de quase quarenta parâmetros diferentes no comportamento de bonecos de teste. Materiais de construção foram similarmente melhorados para tornar bonecos totalmente articulados e realistas possíveis. Para replicar comportamento de ossos humanos, os ossos do boneco foram fabricados de fibra de vidro com maior resistência à ruptura para que o boneco pudesse ser reutilizado. Essas muitas adaptações levaram a bonecos cada vez mais especializados, porém, então modelos como o Boneco Supermórfico foram feitos exclusivamente para testes de colisão de carro — eram muito frágeis para testes de ejeção.

Especializações em bonecos de teste de aeronaves incluíram o Avaliador de Restrição de Membros (LRE) Manequim Antropomórfico, criado especialmente para testar dispositivos de restrição para prevenir lesões devido a batimento durante ejeção de jatos militares. Outros bonecos especializados testaram paraquedas experimentais, colisões de helicópteros e carros de corrida. Por exemplo, testes de colisões envolvendo carros de corrida (do tipo corrido nas 500 Milhas de Indianápolis ou no circuito Championship Auto Racing Team [CART]) mostraram que os pesados capacetes de corrida usados pelos pilotos protegem suas cabeças de danos de impacto, mas o peso do capacete aumenta risco de lesões no pescoço Os primeiros bonecos de teste de colisão fabricados durante os anos 1950 e 1960 não abordavam diferenças entre tipos de corpo. Esses primeiros bonecos eram homens adultos estatisticamente corretos, e como tal, pouco faziam para representar os tipos de corpo típicos de bebês, crianças e fêmeas. Em 1970, as deficiências dos bonecos eram aparentes e vários tipos de corpo foram fabricados. porque força o pescoço a alongar. Impacto de carro Indy em parede de concreto reduz velocidade do carro em 64 km/h (40 mi/h) em 70 milissegundos, e o piloto sente impacto de 60 vezes a força da gravidade. O sensor "caixa preta" no boneco avalia todas as forças em jogo 2.000 vezes por segundo enquanto a colisão está em andamento.

Tecnologia de bonecos de teste acelerou em desenvolvimento novamente com o design e teste do airbag. A família de bonecos foi diversificada ainda mais para incluir ainda mais tipos de corpo. Fatalidades por implantação de airbag ocorreram mais frequentemente entre pessoas fora das dimensões estatísticas. Estes "pequenos ocupantes fora de posição" ou ocupantes OOP estimularam mais mudanças evolutivas nos manequins. Implantação de airbag submeteu os bonecos a forças que excederam suas capacidades de design. Atualizações significativas na família de bonecos ocorreram em 1997 graças a testes de airbag e desenvolvimento de airbags de impacto lateral.

Matérias-Primas

O corpo do boneco de teste de colisão é feito de peças metálicas consistindo de alumínio, bronze ou aço (dependendo do design, propósito e partes do corpo) bem como materiais de revestimento metálico. Uma ampla variedade de plásticos também é incorporada na maioria dos designs, e os plásticos incluem Delrin (tipo de resina acetato de longa duração), espumas de uretano e poliuretano, e vinil. A maioria dos bonecos é vestida para simular realidade, e fornecedores específicos fornecem roupas, tintas e adesivos para marcar alvos críticos ou pontos de medição nos bonecos. De fato, não apenas fornecedores externos são usados para muitos constituintes do boneco, mas agências federais de teste que aprovam designs de bonecos ditam fornecedores específicos que devem ser usados para alguns materiais.

Fabricantes de bonecos fornecem pouca ou nenhuma instrumentação. Designs fornecem espaço para instrumentação ser fixada, mas instrumentação é tão específica às condições reais de teste que os clientes dos construtores de bonecos instalam a sua própria. Alguns potenciômetros pequenos são às vezes construídos nas linhas do fabricante, mas instrumentos mais sofisticados como acelerômetros e sensores de medição de carga são selecionados pelo cliente de seus próprios pacotes de instrumentos ou fornecedores especializados.

Design

O design de bonecos de teste de colisão é um processo intrincado e isolado limitado a agências governamentais, fabricantes de bonecos e clientes como fabricantes de automóveis. Fabricantes de bonecos não são responsáveis por criar seus próprios designs. Em vez disso, recebem pacotes de desenhos, conjuntos de especificações de construção e especificações para testes requeridos da Administração Nacional de Segurança de Tráfego (NTSA). Agências europeias fornecem conjuntos similares de documentos a fabricantes de bonecos. Baseados em suas experiências construindo bonecos, reparando ou adaptando-os, e observando seus traumas pós-acidente, fabricantes de bonecos, assim como usuários, têm entrada em mudanças de design. A NTSA baseia seus designs em uma multiplicidade de dados incluindo relatórios de acidentes, localização dentro do veículo, variações em físico e desenvolvimento físico, autópsias e simulações. Especialistas em biomecânica analisam todos os dados disponíveis e criam as especificações que são enviadas aos fabricantes.

O Processo de Fabricação

A fabricação de bonecos de teste de colisão é altamente proprietária devido às complexidades de design e ao pequeno número de fabricantes qualificados no mundo. Todo design e construção atende a um conjunto extremamente alto de padrões — não existem bonecos de teste de colisão "grau B".

1. Quando o pacote de desenhos e especificações para um novo boneco de teste de colisão é recebido, o fabricante começa determinando quais peças e materiais devem ser comprados de fornecedores específicos, quais devem ser adquiridos de uma gama de fornecedores aprovados, e quais devem ser fabricados internamente. Como exemplos, roupas para os bonecos são fornecidas por um fornecedor específico; mas, para a espuma usada para suportar a pele de vinil, a nomeação de fornecedores específicos é evitada, e o fabricante só tem que atender certos equivalentes.
2. Padrões e moldes para peças metálicas a serem cortadas ou fundidas são feitos a partir dos desenhos de design, e ferramentas necessárias são preparadas para fazer as peças metálicas. Elas são fundidas, cortadas, tratadas termicamente até três vezes, revestidas, e usinadas para aparar, suavizar e refinar as peças completadas. Finalmente, as peças metálicas são montadas usando fixadores que também são especificados.
3. Plásticos são similarmente desenhados, ferramentados e moldados por injeção ou outros métodos adequados à peça e material. Plásticos também são usinados e montados ou ajustados às peças metálicas.
4. Após o corpo metálico e plástico do boneco ter sido montado, a pele é ajustada ao boneco. Algumas peles consistem de vinil moldado no boneco com espuma injetada sob o vinil para dar firmeza e maleabilidade à pele que se assemelha à real. Outras peles consistem de pedaços de vinil com camadas de espuma. Estas peças podem ser vestidas e removidas como roupas. A pele que cobre a cabeça é toda uma peça que se encaixa sobre o crânio de alumínio. Cores também são muito importantes para a pele do boneco. Muitos clientes querem tons de pele, mas pele com colorações vermelha ou amarela é às vezes preferida quando o boneco será usado em testes filmados. Tons amarelos e vermelhos tornam medição precisa de movimentos em filme mais fácil.
5. O boneco é projetado com aberturas para instrumentação e cabeamento. Estas estão nas partes maiores do corpo incluindo crânio, tórax, cavidade abdominal e coxas. Roupas são às vezes ajustadas aos bonecos na fábrica ou fornecidas ao cliente para que o boneco possa ser vestido após a instrumentação ter sido inserida.

Controle de Qualidade

Controle de qualidade é rigidamente especificado pela NTSA (ou outras agências) antes da fabricação ser sequer considerada. Montadores de bonecos estão bem cientes que sua "família" será sacrificada pela segurança de milhares de membros do público, então sentem intensa responsabilidade em relação a questões de qualidade. Quando partes do corpo estão completas e quando o corpo inteiro e cabeça são montados, o boneco passa por um conjunto rigoroso de testes no laboratório de calibração, onde testes requeridos são realizados e medições são feitas para confirmar que o produto conforma a cada detalhe dos desenhos e especificações de design. Testes incluem teste de queda de cabeça, impacto de tórax O boneco de teste de colisão é feito de peças metálicas consistindo de alumínio, bronze ou aço bem como materiais de revestimento metálico. Uma ampla variedade de plásticos também são incorporados na maioria dos designs, e incluem Delrin (um tipo de resina acetato de longa duração), espumas de uretano e poliuretano, e vinil. A maioria dos bonecos é vestida para simular realidade, e fornecedores específicos fornecem roupas, tintas e adesivos para marcar alvos críticos ou pontos de medição nos bonecos. De fato, não apenas fornecedores externos são usados para muitos constituintes do boneco, mas as agências federais de teste que aprovam designs de bonecos ditam fornecedores específicos que devem ser usados para alguns materiais. testes, e calibração do crânio, pescoço, joelhos, outras juntas principais e às vezes outras partes dos membros dependendo do uso do boneco. Dependendo do tipo de físico que o boneco pretende representar, os resultados dos testes variarão. A massa da cabeça de uma criança, por exemplo, é dramaticamente menor que a de um adulto, portanto o teste de queda de cabeça será bastante diferente. Um conjunto de certificações — uma espécie de certidão de nascimento — permanece com o boneco durante sua vida útil para provar seus testes de calibração e para uso em reconstrução, adaptação e recalibração.

Subprodutos/Resíduos

Não há subprodutos da fabricação de bonecos. Resíduos limitam-se a metal e plástico que podem ser reciclados.

O Futuro

Tecnologias computacionais tornaram o boneco de teste de colisão adaptável aos extremos da atividade humana através de melhorias de design, métodos de teste, miniaturização de instrumentos e análise de dados. Em última análise, porém, o computador pode provar fatal para a família de bonecos. Simulações computacionais estão se tornando tão sofisticadas que podem representar colisões de carros, danos ao próprio veículo e lesões aos ocupantes. Simulações são atraentes para fabricantes de automóveis porque eliminam alguns, se não todos, testes destrutivos, que custam aproximadamente US$ 750.000 por teste. Ocupantes do veículo podem ser examinados após impacto simulado, e detalhes de lesões na cabeça e coluna especialmente podem ser analisados. Até três meses de tempo de design podem ser removidos do cronograma de design-produção para um novo modelo de carro, e novos designs podem ser mais seguros para uma gama mais ampla de motoristas e passageiros de diferentes tamanhos.

Fabricantes de bonecos, por outro lado, insistem que suas famílias vieram para ficar. Mais modificações e complexidades bem como aplicações tecnológicas tornaram bonecos de teste de colisão barômetros confiáveis para desempenho de veículos. Agências governamentais reconhecem isso e pedem a fabricantes para produzir bonecos e sensores que foquem em lesões muito específicas. Em 1995, este foco voltou-se para pernas inferiores, movimento dos pés e danos aos tendões de Aquiles causados por impactos frontais. Novos sensores fizeram as pernas do Hybrid 350 (certificado em 1997) se assemelharem às de um homem biônico. Em 1999, ênfase mudou para colisões traseiras e para desenvolver vértebras de última geração através de pesquisa cooperativa entre agências, universidades e fabricantes. Interesse também cresce em simulantes de pele que hematomas e abrasam durante acidentes; dados desses desenvolvimentos também ajudarão médicos a melhorar tratamentos para lesões de pele. Como seus homólogos humanos, o boneco de teste de colisão continua a evoluir para o propósito de salvar nossas vidas e membros.