Iedereen die ooit een verkeersongeluk heeft gezien meegemaakt, weet het: zelfs als je niet gewond bent geraakt, word je de volgende dag geplaagd door pijnlijke spieren. De reden: We bereiden ons instinctief voor op het ongeval om onszelf te beschermen. Vlak voor de botsing spannen mensen hun spieren, steunen bijvoorbeeld op het stuurwiel of drukken het rempedaal door. Precies dit gedrag is van invloed op de afloop van het ongeval en de aard en ernst van het letsel. De exacte gevolgen konden nooit precies berekend worden, maar daar komt verandering in. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics hebben nu met behulp van virtuele crashtestdummy’s voor het eerst de veiligheid van de inzittenden onderzocht op basis van spierstijfheid.

De beweging kort voor een ongeval

“Het spierstelsel heeft een grote invloed op hoe een inzittende van het voertuig kort voor een ongeval reageert en hoe het lichaam zich gedraagt tijdens het ongeval”, zegt Matthias Boljen van Fraunhofer. “Dit kan leiden tot ernstige afwijkingen bij proeven met relatief stijve crashtestpoppen.”

Aangezien conventionele dummy’s niet in staat zijn om te reageren, is het niet mogelijk om het menselijk gedrag kort voor het ongeval te reproduceren. Daarom gebruikten de onderzoekers een THUMS v5.01 model (“Totaal Menselijk Model voor Veiligheid”). Dit digitale computermodel kan – met behulp van een speciaal rekenmodel voor sterkte en vervorming, de zogenaamde FE-simulatie (Finite Element Simulation) – de bewegingen van de inzittenden kort voor een ongeval weergeven.

Nieuwe onderzoeksgrond

De wetenschappers hebben daarmee een nieuwe stap gezet om de veiligheid van de inzittenden te onderzoeken op basis van spierstijfheid. De reden hiervoor is dat er nog geen rekening is gehouden met de spierstijfheid die gepaard gaat met contractie en de gevolgen daarvan. “Als een bestuurder voor de botsing op het stuurwiel rust, wordt door de samentrekking niet alleen de spier korter, maar wordt de spier ook stijver. In eerdere FE-simulaties van individuele spieren en spiergroepen van hele menselijke modellen, werd contractie volledig genegeerd,” legt Boljen uit.

@Fraunhofer EMI

De hoofdafbeelding van dit artikel toont een offset crash in de gespannen spiertoestand van THUMS. De mogelijke uitdagingen voor de passieve veiligheid in een ongevalsscenario dat afwijkt van het frontale ongeval worden duidelijk: de driehoeksgordels gaan slippen.

De tweede afbeelding simuleert ook een frontale crash in de gespannen spiertoestand van het THUMS humane model. Door actieve spiersamentrekking houdt THUMS zich vast aan het stuurwiel en ondersteunt het zichzelf bij een botsing. Dit kan de borst verlichten. De gekleurde octaëders maken de verschillende gesppunten van de gemodelleerde gordel zichtbaar.

Verdere ontwikkelingen van menselijke modellen

Samen met zijn collega Niclas Trube heeft Boljen vier verschillende stijfheidstoestanden gedefinieerd op het THUMS-model. De twee onderzochten de invloed van deze veranderingen op een gesimuleerde frontale botsing. Het resultaat: spierstijfheid heeft een beslissende invloed op het gedrag van de inzittenden van het voertuig. Afhankelijk van de mate van stijfheid kunnen bij een ongeval verschillende verwondingen worden verwacht.

“Dit inzicht kan van groot belang zijn voor de verdere ontwikkeling van menselijke modellen, met name op het gebied van autonoom rijden. Het interieur van voertuigen zal in de toekomst worden herontworpen, dus ook bestaande concepten voor veiligheidsgordels en airbags zullen moeten worden heroverwogen. Menselijke modellen zijn hier een waardevol instrument.”

Vereisten voor verkeersveiligheid

De menselijke modellen kunnen ook worden gebruikt om voetgangers en fietsers te beschermen. Huidige studies tonen aan dat er op dit gebied actie moet worden ondernomen. Volgens de Duitse organisatie van automobilisten ADAC is in Duitsland het aantal doden onder inzittenden van auto’s en voetgangers licht gedaald, maar het aantal doden onder fietsers is toegenomen. In Nederland is eenzelfde beeld zichtbaar. Dit kan te wijten zijn aan nieuwe gevaarlijke situaties veroorzaakt door e-bikes. Daarnaast komen er meer e-scooters – scooters met elektrische motoren – op de openbare weg. Verkeersdeskundigen vrezen een verdere toename van het aantal ongevallen. Menselijke modellen kunnen worden gebruikt om ongevallenscenario’s vooraf te onderzoeken. Afhankelijk van het botsingsgedrag kunnen de frequentie en intensiteit van de belastingen worden getest. Fabrikanten van helmen en andere beschermende artikelen zouden van de aanbevelingen kunnen profiteren.

Ook interessant voor de geneeskunde

Hoe het menselijk lichaam reageert op mechanische belasting is niet alleen relevant voor de transportsector, maar ook voor medische en ergonomische kwesties. Het kan bijvoorbeeld relevant zijn om te weten hoe materialen van implantaten en prothesen zich gedragen ten opzichte van het menselijke bot als ze bijvoorbeeld plotseling worden blootgesteld aan stress als gevolg van een ongeluk. Of hoe de trillingen van gereedschappen de gebruiker beïnvloeden. “Hier komen menselijke modellen in beeld, omdat we ze kunnen gebruiken om realistische virtuele beelden te creëren die niet via experimenten kunnen worden gerealiseerd”, zegt Boljen.