碰撞測試假人

坐在汽車裡的碰撞測試假人

碰撞測試假人是用來模擬車禍對人體的影響的真人一樣大小的人體模型。

假人上裝有許多測量撞擊測試時產生的載入的感測器。在最佳情況下假人的生物力學效能應該和人體一樣 —— 比如身體各部分的大小和質量，以及關節的剛性，等等，只有這樣使用它們的模擬才能和現實相匹配。不同的假人模擬男性或者女性的身體，以及不同身高和年齡的人體。假人的標定主要是透過與使用屍體獲得的資料的比較獲得的。在近年來幾乎所有載具的研究和開發均需要進行碰撞測試假人測試。對於一些交通工具來說，使用碰撞測試假人的測試是型號許可的必要條件。

使用前的碰撞測試

1.1 車禍研究的需要

估計 1869 年 8 月 31 日愛爾蘭學者瑪麗・沃德成為第一名汽車車禍蒙難者。她和她丈夫開一輛蒸汽驅動的汽車時被甩出車外後被另一輛車輛壓死。1899 年 9 月 13 日亨利・布利斯在紐約下有軌電車的時候被撞喪身成為北美洲首位汽車車禍蒙難者。估計從汽車被髮明以來全世界至今有 2000 萬人因為車禍喪身。

1890 年代末商業汽車生產開始後不久汽車工業就有了車禍研究的需要。在 1930 年代裡汽車已經是日常生活的一部份。由於車輛數量的上升，加上汽車開發時不顧及其它道路使用者的安全需求，公共交通導致的死亡率很快成為一個非常嚴重的問題。當時的死亡率達到每一億輛汽車有 15.6 人死亡的程度，而且當時的交通密度還在不斷增加（相比來說今天的交通密度雖然比當時高得多，但是死亡率為每一億輛汽車 1.8 人）。

1930 年代的車體設計即使對低速碰撞的車禍而言也不安全。儀表板是硬金屬製的，方向盤的剛性很高，此外車內有高出的按鈕、剛性很高的杆和槓。在車禍撞擊時都會造成致命的危險。車上沒有座位安全帶，因此在面對面的碰撞時即時速度很低乘客也會被甩出擋風玻璃，在這種情況下乘客倖存的機會很小。車身本身不可變形。車沒有潰縮區，碰撞的力量直接被傳到乘客身上。1950 年代後期汽車公司甚至說車禍 “無法倖存”。這個理論即使在低速度的情況下車禍時的力太大，相對而言人體太脆弱。

但是也有一些汽車製造商開始對這個情況和統計進行挑戰，開始研究改善他們的汽車的安全性的研究。這是汽車車禍研究的開始，不久之後就開始有使用志願者的試驗。

1.2 使用屍體的研究

底特律的韋恩州立大學是最早透過實驗收集車禍對人體的作用的地方。到 1930 年代後期為止還沒有強烈物理作用對人體的影響的科學研究，甚至還沒有科學手段來研究這樣的作用。生物力學還是未耕之地。因此新創的車禍研究首先需要產生全新的資料。

最早的實驗是用人的屍體做的。屍體被用來測量人體對車禍時經常受到的擠壓和削力的抵抗強度。測量方法比如是在電梯的通道里把重物丟到軀體的部分、骨頭或者整個軀體上去。重物的加速度可以很簡單地計算出來。下一步是把加速規裝在屍體上，把屍體綁在車上，然後在實驗場地上做對頭碰撞或者翻滾的試驗。

1995 年阿爾伯特・金在《Journal of Trauma》（《創傷雜誌》）中著文《Humanitarian Benefits of Cadaver Research on Injury Prevention》探討車禍死人數量的下降和屍體實驗對人身保障的貢獻。他的計算表明透過屍體實驗導致的汽車設計的變化到 1987 年為止每年救了約 8500 人的生命。他說僅僅安全帶就使得每個實驗用的屍體平均導致每年 61 人倖存、安全氣囊使得每年 147 人倖存、68 人透過擋風玻璃的設計修改倖存。

使用屍體的實驗也有許多問題，另外其精確度有限。首先使用的屍體與車禍受害者的人口平均不相符，使用的屍體當中不是因為暴力死亡的幾乎絕大多數是老年人。除此之外還有道德和倫理上的問題，比如是否應該允許使用死人進行研究。兒童的屍體很少被使用，因為很少有人把兒童的屍體捐給科學研究進行研究。車禍受害者的屍體一般無法使用，因為它們已經受到損害，無法被用來做良好的模擬，它們會影響結果的質量。加上屍體各不相同，幾乎無法互相之間進行比較，而且一具屍體無法多次使用，因此使用屍體獲得的資料往往不可靠。因此由於缺乏相應的實驗物件和生態資料學者們長時間只能把他們的結果限制在老年白膚男性的人上。

1.3 志願者

斯塔普上校使用火箭橇自我實驗

一些學者自願作為實驗物件。比如約翰・保羅・斯塔普上校（美國空軍）多次坐到一個火箭橇上，讓自己被加速到每小時 1000 千米，然後在數分鐘內剎車。韋恩州立大學退休教授勞倫茲・帕特里克 400 多次乘坐火箭橇來研究負加速度對人體的效應。他和他的學生讓人把重的鐵物品丟到胸口或者臉上來模擬車禍時的碰撞。他們讓人把玻璃碎片吹到身上來模擬行車時或者車禍時擋風玻璃破裂的效果。

帕特里克承認他承受了一點疼痛，但是他強調他的組在開發數學模型方面獲得了巨大的突破，這會為未來的研究奠定了基礎。

志願者的實驗不能超過一定的生理負載。要獲取更重的負載的資料以及要測試保護設施的效應依然需要使用其它實驗物件。

1.4 動物實驗

到 1950 年代中許多可以使用屍體進行的研究已經完成了。但是在屍體不能作為實驗物件的安全研究中依然還有很多需求。再加上屍體的來源依然有限，因此研究不得不使用其它實驗物件：因此學者開始使用動物。在第八屆斯塔普車禍和示範場會議上有黑猩猩、熊和豬的示範。

無法用志願者或者屍體做的實驗包括削弱碰撞時由方向盤導致的損害。到 1964 年為止一些資料認為上百萬人由於這樣的傷喪身。1960 年代初由通用汽車公司引入的在車禍時可以摺疊和後退的方向盤將方向盤導致的死亡率減少了約 50%。車內碰撞使用最多的實驗物件是豬，因為它們胸部下部的構造和人有點類似、它們可以在車裡比較好地坐著以及它們的肋骨折斷時的臨界負載和人的肋骨差不多。能夠坐著是對實驗動物的重要要求。使用動物的研究還包括儀表板以及上面的按鈕和倒後鏡造成的頭傷。

1980 年《亮點》雜誌報道法國布隆一個研究所的動物實驗。受歐洲汽車業的承包該研究所使用狒狒、狗和豬作車禍實驗，其中每年用豬數千頭。該研究所的所長強調任何車身、安全帶和頭靠的更改都需要大量實驗來統計性地收集負載資料。由於屍體沒有肌肉的緊張無法不適用。豬在實驗前一般被麻醉。而猴和狗一般裝有腦探頭，不被麻醉，因為學者也想收集腦電流資料來了解車禍時的感受。出於費用的原因狒狒被多次使用。“有些猴子經過數次實驗後完全崩潰，因此我們只能讓它們去做破壞力最大的實驗，來保證它們此後肯定喪命。”

1965 年杜蘭大學把 200 只恆河猴綁在碰撞橇上和牆碰撞來研究車禍的後果。奧克拉荷馬大學使用懷孕的狒狒重複了這個實驗。

在民眾裡動物實驗引發了很強烈的反感。1978 年 2 月由於抗議密歇根州停止了使用狒狒的實驗。一些學者支援動物實驗，因為它們可以提供可靠的資料，但是同時也有許多倫理學的反對理由。

今天據他們自己的說法大的汽車公司不再使用活物實驗。通用汽車公司 1993 年結束了動物實驗，其它大多數汽車公司也在這個時間裡結束了動物實驗。

最早的假人

檔案：Sierrasam.jpg|thumb|Sierra Sam 系列假人

1949 年西拉工程公司為美國空軍造了第一批名為 Sierra Sam 的假人。它們被用來測試彈射椅和安全帶。使用它們的實驗使用速度達每小時 1000 千米的火箭橇或者讓假人從吊車上落下。它的身高為 1.85 米，比 95% 的成年男人高和重。

1950 年代初阿爾德森和格魯曼設計了一個既可以給汽車又可以給飛機事故研究的假人。後來阿爾德森為通用汽車和福特汽車生產了 VIP-50 系列假人，這個系列也被美國國家標準局納用。西拉公司則推出 Sierra Stan 作為競爭。通用汽車覺得這兩個假人系列都不滿足其需要。因此通用汽車研製了 Hybrid I 假人。這個假人結合了另兩個模型的優點，它的身高、體重和比例與男子的平均相當，因此它也被稱為 “50% 男人”。通用汽車與汽車工程師協會合作把這個設計和其它競爭者分享。

從這個時候開始在開發假人的工作上做了許多研究。1972 年推出的 Hybrid II 模型的肩膀、脊椎和膝蓋機械被改善。這兩個的確非常像人的假人的頭、胸和骨盆裡有加速規以及測量大腿裡的力的儀器。

美國國家公路交通安全管理局和通用汽車打交道希望他們能夠研製一個比 Hybrid II 效能更好、更敏感的模型。儘管在許多研究方面的進展 Hybrid I 和 Hybrid II 依然是相當粗糙的模型，不能在所有的實驗中使用。因此學者開始研製能夠達到這些要求的模型，這個 Hybrid III 至今一直在使用。

當今的模型

3.1 Hybrid III 家族

檔案：Hybridlll.jpg|thumb | 一 “家” Hybrid III 假人 —— 男人、女人和三個不同大小的孩子

1976 年通用汽車推出了 “50% 男人”Hybrid III 模型，它是目前使用最廣泛的碰撞測試假人。今天它已經擴充套件成了一個 “家庭”，擁有許多不同大小和體重的假人。

最常用的是 HIII 50 % Middle Adult Male，他站直了身高 175 釐米，重 78 千克。它相當於其生產者確定的平均男性汽車司機。它的 “哥哥” HIII 95 % Large Adult Male 站直了身高 188 釐米，重 101 千克。它高於 95% 其生產者確定的男性汽車司機。在另一端 HIII 5 % Small Adult Female 身高 152 釐米，體重 54 千克，它矮於 95% 其生產者確定的女性汽車司機。

還有三個兒童假人，其體重分別為 16.2 千克（三歲）、23.4 千克（六歲）和 35.2 千克（十歲）。這三個模型是在成人模型後新增的。

現代的 Hybrid III 假人可以在頭部、頸部、胸部、脊椎、骨盆和腿上帶大量感測器。使用最常用的是加速規和測力器。此外還有膝蓋的角度儀和頭部的角速度儀。

3.2 其它模型

檔案：THORdummy.jpg|thumb|Hybrid III 的後繼假人模型系列 THOR

除了非常普及的為正面碰撞開發的 Hybrid 模型系列外還有其它的假人系列：

比如用來研究側面碰撞用的 SID（side impact dummies，側面碰撞假人）。其中包括相應歐洲和美國標準的 EuroSID -1/2 和 US-SID。

（Biofidelic Rear Impact Dummy II，與人體生理一致的尾部碰撞假人）被用來開發安全的頭枕和座位。

是一個用來研究嬰兒座位的假人，它有相應於典型的六月、12 月和 18 月兒童的模型。

是新的 “50% 男人” 和 Hybrid III 的後繼模型。它的脊椎和骨盆被改善，此外它的臉部擁有一些此前沒有被使用的感測器來研究面部的傷。從總體來說它擁有更多的和更精確的感測器。

是一個透過學生工作開發的行人假人。它被用來做汽車與行人的碰撞實驗。它基於 “50% 男人”。為了測量碰撞時的加速度它的腰部有車禍資料儲存。

實驗過程

通用汽車的正面碰撞試驗

在碰撞試驗前每個 Hybrid III 假人都要校準。它的頭被取下，從 40 釐米高處落下，來校準頭裡的儀器。

隨後頭被旋在肩膀上，透過短時間的加速和突然剎車來測試頸部的活動性。隨後肩膀和頭和軀幹連到一起，在一個測試儀器內一個擺敲擊假人來測試胸部的活動性。

假人準備好後被穿上黃衣服，它的頭部和膝蓋裝進液體顏料。它被裝進一個測試設施或者一輛測試的車。它體內的儀器在碰撞時記錄下 30 多個不同的資料，體內的顏料標誌碰撞的部位，它本身被高速攝影機拍攝下來。透過電線資料被從感測器傳送到車內的測量儀器。資料化的假人可以把資料記錄在假人胸部的微型儲存裝置裡。碰撞後資料被讀出分析。今天為摩托車使用的假人完全基於資料技術。

是一個標準化的測試物件，因此假如部分部件損壞的話可以被換掉。所有的儀器都可以多次使用。一個完全被裝備好的假人的價值約為 15 萬歐元。

未來

碰撞假人反映的三維計算機模擬

碰撞試驗假人幫助車禍研究收集了大量車禍對人體的後果的資料。這些資料幫助改善了大量危險因素，比如改善了車輛設計。

今天新資料對研究的貢獻已經很小了。使用假人獲得的資料與使用屍體或者動物獲得的資料已經可以向匹配。今天最大的問題在於試驗車輛的反應往往不一樣，而且每輛試驗車輛只能使用一次。

另一個問題在於假人僅僅近似於人。比如在研究對內臟的影響的時候它們提供的資料就非常粗糙，屍體試驗的資料就比較好，但是也不一定就非常滿意。

計算機模型越易取代碰撞試驗。但是今天的計算能力和模型精確度還不足以使用計算機模擬做全身模擬。要把所有係數，包括汽車的剛性和人體的效能，全部包括在模擬裡還有很大困難。計算機模擬的優點在於它們可以被重複進行，所有係數可以被控制地改變，因此計算機模擬可以大量地減少對物理試驗的需要。

今天法律規定新車輛模型推出之前必須進行物理碰撞試驗 —— 包括假人碰撞試驗。但是在未來假人大多數會在計算機螢幕上出現。

文化藝術

美國交通部說話的碰撞測試假人溫斯和拉里

由於碰撞測試假人看上去像人，因此它出現後在文化藝術中就經常使用它。

在 1980 年代裡，美國交通部在美國雜誌和電視裡做廣告。在這些廣告裡兩個會說話的碰撞測試假人以情節戲劇的形式解釋車輛的安全措施。這些廣告的口號為 You can Learn a Lot from a Dummy（假人可以教你很多），它們非常普及和成功，因此這兩個假人從此經常在 —— 尤其是對兒童的 —— 安全宣傳中出現。

1990 年代初 Tyco Toys 推出了一系列名為 Incredible Crash Dummies（不可置信的碰撞假人）的英雄玩具。這些玩具是基於美國交通部的廣告設計的。這些顏色鮮豔的玩具車輛的底部有一個按鈕，按了之後車輛會散開，然後可以重新組裝起來。此外還有車輛在被兒童 “碰撞測試” 後可以重新組裝。

這個玩具系列大受歡迎，因此導致了一部 22 分鐘長的同名電視節目。對於當時來說非常特殊的是這部電視節目完全是用三維計算機模擬生產的。此外它還引發了一部漫畫系列以及一部任天堂電子遊戲（FC 遊戲機）和一部任天堂 lang|en|Game Boy 遊戲。

在更改過的競速遊戲 lang|en|FlatOut 里人司機被碰撞測試假人取代。

1980 年代末有一個名為 “” 的加拿大搖滾樂樂團。