Az emberi tűrőképesség határai...

A járműbiztonság az utóbbi évtizedekben óriási mértékben fejlődött, de a korszerű járművek és védelmi berendezések ellenére autóbalesetek következtében évente közel 50 ezer ember szenved életveszélyes sérüléseket vagy leli halálát Európa útjain. Ahhoz, hogy az embert a súlyos sérülésektől meglehessen védeni legalább két dolog szükséges: a sérülési mechanizmusok, az emberi test viselkedésének pontos ismerete és a baleseti terhelések feltérképezése, a kísérleti ellenőrzések és az ezekből következő járműfejlesztések érdekében.
A kísérleti ütközési tesztekben használatos embert helyettesítő próbabábu (dummy) megalkotása szerteágazó kutatások vizsgálatok eredménye.
A baleseti analízist mellőzve tehát vegyük górcső alá az ember tűrőképességének vagy a nemzetközi gyakorlatban meghonosodott görög eredetű kifejezéssel élve biomechanikai tulajdonságainak kutatását.
A század első felében az autóban bennülők védelmét az egyre merevebbre épített járműszerkezetekkel próbálták megoldani. Ettől eltérően a repülőgépiparban már az első világháború idején, a gyakori légi balesetek és a (drágán kiképzett) pilóták szinte tömeges elvesztése következtében felmerült az életmentő katapult ülés gondolata. Ez a fejlesztés igazán csak a II. világháború idején gyorsult fel, a vizsgálatokhoz szükséges műszerezés fejlődése és az Amerikai Légierő kutatóhelyeinek bekapcsolódása következtében.
Sok-sok kísérleti számítás és mechanikai ellenőrzés után az első emberrel végzett katapult vizsgálat 1946. augusztus 16-án 5 km magasságban 20 m/s kezdeti lefelé irányuló katapult sebességgel történt.
Az emberi tűrőképesség vizsgálatokat Európában és az USA-ban is önkéntes fiatal emberekkel végezték. A terheléseket (fej-, mellkasi ütés, lassítás) a fájdalom küszöb eléréséig folytatták. Az első élőlényeket is tartalmazó baleseti ütközéses teszteket macskákkal hajtották végre 1945/46-ban Texas-ban. A kísérletekben elaltatott állatokat használtak, amelyeknek eltávolították a lépét ill. a részben máját és az alsó ill. felső bordáik köré különböző nyomású ütközéscsillapító "gallérokat" tekertek. A gerinc és tüdősérüléseket tanulmányozták különböző ütközési erőknél ill. gyorsulásoknál. Pl. 320 g csúcsértékű lassulás okozott tüdővérzést.
Ezt követően felépült az első lineáris gyorsító ill. ütközőpálya az Edwards Légierő Bázison Kaliforniában. Itt 1947 és 1951 között 231 különböző ütközéses tesztet végeztek önkéntesekkel, csimpánzokkal és ütközési bábukkal. (Az önkéntes fiatalembereken elvégzett vizsgálat eredménye: 270 km/h kezdeti sebességről 0,23 s alatt 10 m-en lefékezve a 490 g/s lassulásváltozással fellépő maximális 46 g csúcslassulás még komolyabb sérülések nélkül túlélhető. (46 g lassulás egy 85 kg tömegű ember esetében közel 4 tonna erőterhelést jelent!) A csimpánzok 100g körüli fékezési lassulásnál belső agykárosodásokat szenvedtek.)

Autóipari kutatások, ütközési tesztek

A passzív biztonsági eszközök alkalmazása előtérbe került, de ezeket a berendezéseket (biztonsági öv, légzsák, összenyomható mellső- és hátsó ütközőzóna, oldalütközés elleni védelem, ...) csak alapos kísérleti ellenőrzések után lehet beépíteni az autókba.
Az első korszerűnek mondható autóipari ütközőpályát a General Motors építette fel 1955-ben. (Az első ütközési teszt is a GM nevéhez fűzhető még 1934-ből, amikor a saját motorral működtetett autót a betonfalnak egy tesztpilóta vezette és abból csak az utolsó pillanatban ugrott ki.)
A sérülési mechanizmusok tanulmányozási módszerei előtt nézzük át legelőször is a járműben ülőt érhető sérülések fajtáit illetve a lehetséges sérülések mechanizmusait.

A sérülési mechanizmusok

A fejsérülések kutatása és a sérülési tolerancia értékek meghatározása az egyik legfontosabb feladat. Az első sikeres fejmodellt már 1943-ban

megalkották.
A legáltalánosabban mért paraméter a fejgyorsulás az ütközési folyamatok alatt. Az első általánosan elfogadott fejsérülési határértéket az un. "Wayne State sérülési kritérium" jelenti 1960-ból, amelyet a mai napig kiindulási alapnak fogadnak el.
A ma is használt módosított görbe látható az ábrán. Ha ezt a görbét logaritmikus beosztású skálán ábrázoljuk egyenest kapunk �2,5 meredekséggel. Ez alapján javasolta Gadd (1966) a fejsérülési indexre ezt a kiindulásként elfogadott összefüggést, amelynek módosított, súlyozott formáját (HIC � Head Injury Criteria) használjuk még jelenleg is a fejsérülések kiértékelésére. Az összes ütközéses vizsgálat kiértékelésénél ez a kritérium, nem csak a Hybrid bábuknál, de minden fejformával végzett vizsgálat esetén. Ha a HIC értéke nagyobb mint 1000, akkor súlyos fejsérülés prognosztizálható.

A 80-as években végzett oldalütközési kísérletek némileg újabb gyorsulásérzékenységi formulára vezettek, amelyet TTI-vel jelölnek (Thoracic Trauma Index). Ez a bordák és a gerinc átlagos gyorsulásértékén alapul és a mellékelt ábrával ellentétben 85-90 g-ig mutatja a sérülési határt. Az esetek döntő részében a felsőtest 60-80 g közötti lassulásnak és 8 kN (0,8 tonna) erőterhelésnek tud súlyosabb sérülés nélkül ellenállni megfelelő felületen elosztott terhelés esetén. Ezt a célt szolgálják a különböző oldalzsákok.

Ez a ma általánosan elfogadott állapot, annak ellenére hogy jelentős kutatói csoportok az agy szöggyorsulását legalább olyan veszélyesnek tartják, mint az előbb bemutatott lineáris gyorsulásokból származó sérüléseket. Ezt egyenlőre sem az amerikai sem az európai előírások nem tartalmazzák.
A mellkas sérülések kutatását a katapult okozta hatások feltérképezésével kezdték. Felfelé mutató függőleges helyzetben 20 g gyorsulás szükséges a sikeres meneküléshez. A gerincterhelés vizsgálata lényeges és fontos felismerésekhez vezetett, bár ezt a járműiparban kevésbé használják, hiszen nem jellemző a függőleges terhelés. Ugyanakkor gerincsérüléseket okozhat a csípőöv az alhasi benyomódáskor ill. a harántöv felső része a nyakcsigolya-gerinc együttes terhelésekor. Azt már 1959-ben tudták, hogy egytized másodpercnél nem hosszabb ideig tartó 40 g mértékű lassulást a biztonsági övvel bekötött ember elviseli. A technológiai fejlesztések mégis csak a 90-es évek végére jutottak odáig, hogy sorozatban elkezdjék erőhatárolós (300-500 kp terhelés határú) övekkel felszerelni a járműveket. A légzsákok természetesen állandó tartozékok ezekben az autókban.

A mellvastagság értéke egy átlagos felnőtt férfi esetén 22,2 cm. Húsz százalékos (4,44 cm) összenyomódás viselhető el különösebb sérülések nélkül,

ami természetesen kisebb-nagyobb fájdalmakat azért okozhat. Egy ilyen mérvű összenyomódás még csupán húzó és nyíró terhelésekkel jár az ember szerveire vonatkoztatva, a veszélyes szervi nyomófeszültségek csak az ettől nagyobb benyomódáskor lépnek fel. Az ilyen jellegű deformációs igénybevételek és hatások kutatása talán a legnehezebb. Az ember csak részben áll merevnek tekinthető csontokból, nagyobbrészt különböző lágy szövetekből és a belső szerveket körülvevő folyadékokból épül fel. Az ezeken a nem csontos részeken bekövetkező ún. viszko-elasztikus sérülések 3 m/s �nál nagyobb deformációs sebesség esetén következnek be.
Az ettől kisebb sebesség (pl. az övnek nekifeszülés) esetén az összenyomódásból származhat sérülés. Nagyobb mint 3 m/s sebességű deformáció lép viszont fel a gépkocsi ajtajának ütődéskor (oldalütközés), vagy a gyalogos elütésekor. Ilyenkor nem lehet szövet és folyadék összenyomásaként kezelni az eseteket, a deformációs sebesség a döntő tényező. Az ilyen sérülések mérésére fejlesztették ki a deformációs sebességet és összenyomást is figyelembevevő, viszkózus hatást leíró összefüggést: VC, amely az ütközés alatt elnyelt energiával egyenesen arányos. [VC = 1 m/s és C = 34% összenyomódás súlyos életveszélyes sérülést jelent frontális ütközés esetén.]

Az ember modellezése

Önkéntes emberek mint vizsgálati eszközök

Felműszerezett, élő emberekkel halálos vagy életveszélyes sérülésekkel járó vizsgálatokat nem lehet végezni. A tűrőképesség, fájdalomküszöb határának megállapításához ugyanakkor ezek a tesztek hozzájárulnak és fontosak a matematikai és mechanikai modellek fejlesztésében is. Az önkéntesek döntően fiatal, jó felépítésű katonák, akiknek a fájdalomküszöbe az átlagtól magasabb, ezért nem is tekinthetők az általános populációra reprezentatívnak az eredmények.
Az önkéntesek alkalmazásának nagy előnye viszont, hogy az izomtónus változása és az emberi reakciók hatása csak ezzel a módszerrel kutatható.
Az első jól dokumentált önkéntes emberi teszt 1954-ben volt Új Mexikó-ban a légierő bázisán, ahol John Paul Stapp ezredes volt az ütközési kísérlet önkéntes résztvevője. Az 1000 km/h kezdő sebességű történt 1,4 s ideig tartó fékezést , amikor is 40 g maximális gyorsulás lépett fel, lényeges sérülés nélkül elviselte. (Az összehasonlítás kedvéért: egy 50 km/h sebességgel betonfalnak ütköző jármű esetén a jármű súlypontjában fellépő lassulás 30-35 g és az időtartam 0,1 s.)

Halottakkal végzett kísérletek

Ez a módszer még ma is elsődleges az alap információk szerzése céljából. A holttestek (rövidítve PHMS: post-mortem human subject) testfelépítése, anthropometriája pontosan megegyezik az élő emberével. Természetesen az előkészületek technikája rendkívül bonyolult, nemcsak a vért és egyéb nyiroknedveket kell megfelelő fiziológiás oldatokra cserélni és közvetlenül a kísérletig megfelelő hőmérsékleten tartani, de pl. a tüdőt is megfelelő nyomásúra kell pumpálni az ütközéses teszt előtt... A holtestekkel való bánásmódot szigorú etikai és gyakorlati előírások szabályozzák, úgyhogy a horrorisztikus érzések inkább a körülmények szokatlanságából adódnak.
Az ilyen kísérleti alanyoknál viszont hátrány az izomtónus és pszichológiai reakciók hiánya. Ugyanakkor az életkoruk is gyakran magas és szövetek mechanikai szilárdsága az életkorral fordítottan változik. A halottakkal végzett kísérletek eredményeként egészen pontosan meghatározták �még a 70-es évek elején az agysérülésre vonatkozó kritériumokat.
Pl. merev felületre történő esés esetén:

200 mm-ről történő esés még nem okoz koponyatörést, 4 kN csúcserőt és 120-200 g maximális fejgyorsulást mérhetünk,
1000 mm magasról történő esésnél már koponyatörést eredményezhet, 10 kN körüli csúcserő és 200-300 g maximális fejgyorsulás fellépésével.

Állatkísérletek

Mechanikai modellek

A mechanikai modellek a gyakorlatban alkalmazott ütközési bábuk, amelyek fém illetve műanyag vázból, csuklókból és a húst szimuláló műanyag fedőrétegből állnak. Ezek úgy vannak szerkesztve, hogy az ütközési szituációkban az ember kinematikáját utánozzák, a fej, mellkasi gyorsulásokat, a mellkasi, hasi benyomódásokat és a comberőket mérik elsősorban.
Ezeket a bábukat döntően a minősítő vizsgálatokhoz használják, amelyekben a kritérium az, hogy az ember tűrési, sérülési értékei alatt maradjanak a mért erők, gyorsulások, benyomódások. Természetesen nem szükségszerűen komplett bábukat használnak a vizsgálatokhoz, sokszor elegendő egy torzó vagy egy testrész is, például a kormánynak ütközés vizsgálatnál a felsőtest és a fej, a belső tér párnázásának vizsgálatához pedig egy fejforma is elegendő.
A járműipari minősítő vizsgálatoknál leggyakrabban az átlagos férfi méretet utánzó az 50%-os férfi bábukat használják, de a fejlesztési kísérletekben a 95%-os férfi és az 5%-os női bábu is használatos. (A jelölt % nem egyszerűen az összes felnőtt népesség méretének adott matematikai százalékát jelenti. Ez mást jelent: a férfi, illetve külön a női felnőtteket 100 egyenlő létszámú csoportba osztják és az adott sorszámú csoportba tartozók átlagát veszik.) A gyerekek esetében 9-hónapos, 1 1/2 éves, 3 éves, 6 éves és 10 éves gyerek "dummy" van.
Az ütközési bábuk nagy hátránya, hogy ezek leginkább adott irányokra (frontális, oldalirányú, vagy hátra) történő ütközésekre lettek kifejlesztve. A ma legáltalánosabban elterjedt frontális bábu a Hybrid III. Ennek továbbfejlesztett változata az AATD (Advanced Anthropomorphic Test Device), amelynek prototípusát már 1997-ben bemutatták.
Az oldalirányú ütközések vizsgálatára szolgál az amerikai SID ill. BIOSID, valamint az európai fejlesztésű EUROSID. Az ilyen jellegű vizsgálatok harmonizációja esetén valószínűleg ebben is egy közös "világbábu" kerül majd kialakításra.
A motorkerékpár vizsgálatokhoz egy speciális bábut fejlesztettek ki a Hybrid III bábuból kiindulva, annak a kezét és különösen a lábát még valósághűbbé téve. A katapultok vizsgálatához a légierőnél a vertikális irányra érzékeny bábut fejlesztettek ki.
A további fejlesztés fő törekvése hogy létrehozhassunk egy ún. omnidirekciós, minden irányban "emberi" érzékenységgel viselkedő bábut.

**A bábuk (dummyk) fejlődéstörténete**
ÉV	NÉV	MÉRET	LEÍRÁS	JELLEMZŐ
1949	Sierra Sam	95%	gyártó: Sierra Engineering az USA Légierő számára katapult szimulációkhoz és kétpontos övbekötések ellenőrzésére szolgált	kizárólag ortogonális fejgyorsulások
1952	Mark-1	95%	gyártó: Alderson Research Laboratories az európai és az USA légierők számára alumínium fej, fémcső bordák, feszített acélhuzallal összefogva a pvc bevonatú kissé merev testet; csak néhány prototípus készült.	fej-gyorsulásmérés
1955	Snubber	50%	gyártó: General Motors fémváz, balsafa anyag, járművizsgálati célokra	fej, mellkas gyorsulások
1956	Modell F, B, P	3%-98%	gyártó: Alderson Research Laboratories az Apolló program és az F-111 vadászgép fejlesztésekhez	gyorsulásadók, nyomásérzékelők
1960	The Gard Dummy	3%-98%	gyártó: Grunman- Alderson Research Dummy ezt a bábut a rakéta működtetésű katapultok vizsgálata miatt fejlesztették ki, az életveszélyes pörgések, elfordulások kiküszöbölésére	telemetrikus szenzorok (12 jeladó)
1966	VIP	50%	gyártó: Sierra Engineering Dummy a GM és a FORD támogatásával VIP-50A jelű módosított kivitel lett az első járműipari ütközési bábu	fej, mellkas gyorsulás, térderő mérés
1967	Sierra Stan	50%	gyártó: Sierra Engineering Dummy a VIP-50A csekély pontosításával megalkotott modell az autóipar számára; ülő és álló kivitelben is gyártották	fej, mellkas gyorsulás, térderő mérés
1970	Sierra Sammy és Toddler	3 és 6 éves	gyártó: Sierra Engineering Dummy első gyermekbábuk	fej, mellkas gyorsulás, hasi benyomódás
1971	Hybrid I.	50%	gyártó: Alderson Research Laboratories fejgyártó: Sierra Engineering	fej, mellkas gyorsulás, térderő mérés
1972	Opat Dummy	50%	gyártó: OGLE és MIRA (Nagy Britannia), övrendszer vizsgálatokra	fej, mellkas gyorsulás, térderő mérés
1972	Hybrid II.	50%	gyártó: Alderson Research Laboratories módosítva a GM által	fej, mellkas gyorsulás, mellkas benyomódás térderő mérés
1976	Hybrid III.	50%	gyártó: GM a Hybrid II továbbfejlesztéséből, pontosabb fej, nyak, borda és ülőfelület kialakítással	mint Hybrid II. + nyaki erők, mellkas benyomódás
1980	P típusú gyermekbábuk	3/4, 3, 6 és 10 éves	gyártó: TNO (Hollandia)	mellkas gyorsulás, hasi benyomódás
1980-87	SID		amerikai bábu (a Hybrid III. bázisán) a járművek oldalütközési vizsgálataira az amerikai előírás szerint	fej, nyak, mellkas, alhas erő, gyorsulás, benyomódás
1983-89	EUROSID		gyártó: TNO európai bábu a járművek oldalütközési vizsgálataira az európai előírás szerint	fej, mellkas gyorsulás, borda benyomódás, sebesség
1997	Hybrid IV.	50%	AATD prototípus, kifejezetten frontális ütközésekhez	alapvetően mint a Hybrid III.
1999	Q típusú gyermekbábuk	3 és 6 éves	gyártó: TNO	fej, nyak, mellkas érzékelők, hasi benyomódás

Matematikai modellek

A számítógépes szimulációk a passzív baleseti szituációk elemzésében az utóbbi 20 évben jelentős fejlődésen mentek keresztül. Három területre bonthatjuk az ez irányú fejlesztéseket:

az ember ütközéstani, biomechanikai jellemzőinek fejlesztése;
a balesetek rekonstrukciója;
a járműszerkezetek, passzív biztonsági berendezések, út- és környezeti feltételek tervezése.

Jelen esetben az első témát: az ember számítógépes modellezését vegyük szemügyre. A klasszikus mechanika alapján álló multi-body módszer tömegből, mint térfogati elemekből, csuklókból, rúgókból, csillapítókból felépítetett rendszereket használ, így modelleződik az ember is. Egy ilyen rendszerben az ember 10-100 szabadságfokkal modellezhető és a korszerű programokban már háromdimenziós az ember-modell. (Pl. MADYMO program)
A végeselemes technika esetében, ahol az ember-modell tetszőlegesen kisméretű térfogati elemekre bontható és elemenként bármilyen mechanikai tulajdonságokkal felruházható, a modell szabadságfoka 1000-10 000 között változik. (Pl. PAM, LS-DYNA programok.)
Hangsúlyozni kell, hogy a számítógépes modellezésben ma már semmilyen gondot nem okoz az alkalmazott bábuk pontos "leírása", a fő probléma az ember dinamikájának minél pontosabb leutánzása. A munkamegosztás úgy alakul, hogy a cadaver teszteket, állatkísérleteket végző laboratóriumok az orvosegyetemekkel közreműködve alakítják ki azt a bemenő adatbázist, amelyet azután a számítógépes járműütközési programokat és ütközési bábukat fejlesztő, kidolgozó intézetek beépítenek a programjaikba. Ezért nem kell csodálkozni, hogy az ilyen programok (és gyakran külön az egyes adatbázisok) sok tízmillió Ft-ba is belekerülnek.
A fejlett számítógépes programoknak nem csak az előnye, hogy velük gyorsabban és a nagy áruk ellenére olcsóbban végezhetők a vizsgálatok, de a legértékesebb az, hogy a kis változások hatása is pontosan és körüljárhatóan nyomon követhető. Az ember-modell, a megfelelő és különböző célú adatbázis létrehozása ugyanakkor rendkívül bonyolult folyamat, amely nem nélkülözheti az előbb ismertetett technikákat.
Az emberi teste az ütközési bábukkal összehasonlítva azt állapíthatjuk meg, hogy még mindig csak a fejlesztés elején tartunk. Az emberi test pozicióit, izomműködését nem tudjuk utánozni és az önkéntesekkel vagy a halottakkal végzett kísérletek sem sokat segítettek ebben. Valószínűsíthetően a matematikai szimulációk oldaláról fog érkezni a nagy áttörés, amint az elmúlt húsz évben a számítógépes alkalmazások soha nem látott fejlődése révén a tudomány minden területén. A jelenleg alapbábuként alkalmazott Hybrid III. bábu több mint negyedévszázados fejlesztés, kísérlet eredménye. A hatályos európai és amerikai előírások, vizsgálatok erre épülnek. Nem várható, hogy ebben rövidesen változás lesz. Ugyanakkor várható, hogy a cégek tervezési, fejlesztési stratégiái egyre inkább a gyors és rohamosan fejlődő számítógépes, matematikai modellezés felé tolódnak el az ütközési tulajdonságok kutatása területén is. Ehhez kapcsolódóan a baleseti rekonstrukció (utólagos szimulálás) is ugrásszerűen fejlődött az elmúlt évtizedben. Mindez természetesen rendkívül pontos, alapos és speciális adatgyűjtést, felvételezést feltételez, mind a rendőrség, mind a kórházak részéről. A VOLVO gyárnak például saját baleset helyszínelő csoportja van a mérnöki adatgyűjtés és megbízható visszacsatolás céljából Svédországban. Ugyanakkor a gyártási technológia minimális eltérése is nem várt hatásokat okozhat, ezért a valós ütközési tesztek továbbra sem lesznek nélkülözhetők, csak egy jóval alaposabb és gyorsabb számítógépes szimulációs sorozat után, a fejlesztés második felében, mintegy végső gyakorlati igazolásként hajtják majd azokat végre.

Közlekedési balesetben meghaltak (USA)
1953	23 000 fő
1963	43 000 fő
1970	60 000 fő

Az emberi tűrőképesség határai avagy hogyan fejlődött és milyen egy korszerű ütközőbábu?

Vincze-Pap Sándor (AUTÓKUT Rt.)

A kezdeti lépések

Autóipari kutatások, ütközési tesztek

A sérülési mechanizmusok

Az ember modellezése

Önkéntes emberek mint vizsgálati eszközök

Halottakkal végzett kísérletek

Állatkísérletek

Mechanikai modellek

Matematikai modellek