Na Politechnice
Wrocławskiej naukowcy poświęcają godziny badań na analizę… potrąceń
pieszych przez samochody. W jaki sposób super szybkie komputery mogą
zwiększyć nasze bezpieczeństwo na poboczach i ulicach, tłumaczy dr inż.
Mariusz Ptak z Wydziału Mechanicznego
Lucyna Róg: - Skąd u Pana zainteresowanie
badaniami na temat bezpieczeństwa pieszych? Czy nie zajmują się nimi
raczej koncerny motoryzacyjne?
Dr Mariusz Ptak*: - Wszystko
zaczęło się od SUV-ów. Na naszych drogach jeździ coraz więcej pojazdów
tego typu. To dość dziwna moda, bo niezgodna z logiką. Często jedynymi
przeszkodami, jakie te samochody pokonują przez cały okres swojego
miejskiego funkcjonowania, są krawężniki lub dziury w drodze.
Tymczasem trend na ich sprzedaż rośnie. W Stanach Zjednoczonych
sprzedaż SUV-ów już dawno prześcignęła sprzedaż samochodów kompaktowych.
Europa lubi kopiować trendy zza oceanu, więc i na Starym Kontynencie
jest tych pojazdów coraz więcej i więcej. Do tego kierowcy chcą, by ich
auta wyglądały jak najlepiej i odróżniały się od innych, więc zaczęli
montować tzw. przednie układy zabezpieczające. To takie stalowe,
orurowane „kangurki”. Ładnie wyglądają, są błyszczące, chromowane.
Niestety nieodpowiednio zamontowane i zaprojektowane stanowią ogromne
niebezpieczeństwo dla pieszych w razie potrącenia.
Nasz zespół, kierowany przez prof. Eugeniusza Rusińskiego, zdobył
akredytację na badania numeryczne tych układów. Testowaliśmy je więc na
przy użyciu zaawansowanych programów komputerowych. I wówczas zauważyłem
pewną sprzeczność. Okazało się bowiem, że – zgodnie z wynikami –
potrącenie pieszego przez SUV z takim układem zabezpieczającym nie
powoduje niemal żadnych poważniejszych obrażeń u człowieka. A to jest
niemożliwe.
Błąd badań?
Raczej kwestia doboru narzędzi badawczych.
Symulacje numeryczne, którymi zajmujemy się w naszym zespole,
opierają się o manekiny numeryczne. Oznacza to, że analizujemy różne
warianty zderzenia samochodu z pieszym, korzystając z programów
komputerowych, które bazują na pomiarach wykonanych podczas testów z
manekinami oraz zwłokami. Takie manekiny są wirtualnie oczujnikowane i w
możliwie najlepszym stopniu odzwierciedlają ciało człowieka. Po serii
testów wiemy już, jak reagują na różne bodźce, takie jak siła czy
przyspieszenie. Korzystając z tych pomiarów, możemy przeprowadzać serie
analiz na monitorze komputera, nie używając już samych manekinów.
Aktualnie w oficjalnych testach homologacyjnych nie wykonuje się
symulacji z pełnymi manekinami, a z tzw. impaktorami. To mechatroniczne
układy odpowiadające różnym częściom ludzkiego ciała jak głowa czy noga.
Impaktorem uderza się z odpowiednią prędkością w stronę pojazdu, a
następnie sprawdza, jak zderzenie z samochodem wpływa na niego – czy np.
noga się ugina, pod jakim kątem, z jaką siłą, itp.
Dlaczego impaktorem w samochód, a nie odwrotnie?
Prawa fizyki. Gdybym rozpędził się i z prędkością 40
km na godz. wbiegł w samochód, to skutek dla mnie i dla pojazdu byłby
taki sam, jak w sytuacji, kiedy to samochód z identyczną prędkością
wjechałby we mnie. A wygodniej, z punktu przeprowadzenia eksperymentu,
jest wystrzelić impaktor w kierunku samochodu.
Wracając do naszych testów - okazało się, że kiedy badamy impaktorami
wysokie pojazdy typu SUV, ugięcie nogi jest niemal zerowe, co mogłoby
dowodzić, że taki samochód jest bardzo bezpieczny dla pieszych, a na
pewno dużo bezpieczniejszy od auta kompaktowego. Doszedłem więc do
wniosku, że badania należy zweryfikować na pełnych manekinach. Symulacje
pokazały wtedy, że owszem poszczególne części ciała (impaktory) się nie
uginają, ale cały manekin z dużą siłą jest odbijany od pojazdu, a
obrażenia są poważne.
Zacząłem się wtedy zastanawiać, do którego
momentu badania na impaktorach sprawdzają się w badaniach pojazdów, a na
jakim etapie konieczne są już pełniejsze testy. Gdzie jest ta granica? I
w ramach swojego doktoratu opracowałem metodę weryfikacji badań
pieszych.
Na czym polega?
Podczas badania bezpieczeństwa pieszych ocenianie są
przede wszystkim kryteria biomechaniczne, czyli – upraszczając – to,
jak bardzo ugnie się noga lub odkształcona zostanie głowa podczas
zderzenia, a zatem jak bardzo będzie boleć. Ja postanowiłem prowadzić
ocenę dwustopniowo. Najpierw sprawdzam kinematykę, czyli to, co dzieje
się z pieszym – czy ląduje na masce i pod jakim kątem, a może odbija się
od pojazdu lub jest wciągany pod niego.
Jeśli pieszy ląduje pod samochodem lub odbija się od niego,
oczywistym jest, że jego obrażenia będą duże. Bardziej szczegółowe
analizy biomechaniczne nie mają wówczas więc większego sensu. Natomiast
jeśli trafia na maskę, dalsze badania biomechaniczne przy pomocy
impaktorów są jak najbardziej wskazane.
Gdy zatrzymuje się na masce, ryzyko poważniejszych obrażeń jest dużo mniejsze?
Zdecydowanie. Poza tym koncerny samochodowe pracują
nad wieloma rozwiązaniami, które mogą uratować życie takiej osobie albo
zminimalizować uszkodzenia ciała. To nie tylko poduszki powietrzne w
podszybiu, ale także np. tzw. aktywna maska, która otwiera się na
zewnątrz i tworzy rodzaj „trampoliny” dla pieszego. Dzięki niej taka
osoba ląduje nie na twardym fragmencie maski z silnikiem pod spodem, ale
na podatnym elemencie pochłaniającym energię zderzenia.
Stworzyliśmy już także koncepcję bezpiecznego przedniego układu
zabezpieczającego, aktualnie zgłoszoną do patentu. Taki układ ma
odpowiednio wyprofilowaną geometrię, dzięki której pieszy w czasie
zderzenia jest przemieszczany na maskę. Może mieć również poduszki
powietrzne działające podobnie, tzn. uruchamiające się tuż przed
zderzeniem i podcinające nogi pieszego, by trafił na maskę. Wprawdzie
mogą one wtedy spowodować np. złamanie kości piszczelowych takiej osoby,
ale jednocześnie ochronią przed poważniejszymi konsekwencjami i uratują
temu człowiekowi życie. Rachunek zysków i strat wskazuje więc na to, że
jest to dobre rozwiązanie.
Pracowaliśmy także nad innym zastosowaniem przedniego układu
zabezpieczającego. Wspólnie z Komendą Główną Policji, Akademią Sztuk
Pięknych we Wrocławiu i łódzką firmą – jednym z wiodących dilerów
motoryzacyjnych - zyskaliśmy grant z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
Opracowaliśmy układ zabezpieczający samochód policyjny. Z jednej strony
poprawia on kinematykę pieszego w czasie zderzenia, z drugiej służy
także jako rodzaj tarana, czyli pomaga w wymuszeniu kontrolowanego
zjechania drugiego pojazdu z drogi. Od przyszłego roku niektóre
policyjne pojazdy typu SUV będą wyposażone w te układy. To był duży
projekt, z symulacjami numerycznymi i badaniami eksperymentalnymi, w tym
pełnym crash- testem.
Teraz zajmuje się pan także tzw. aktywnym bezpieczeństwem
pieszych, czyli analizami, jak wyhamować pojazd jeszcze przed
potencjalnym zderzeniem z człowiekiem.
Jestem przekonany, że to przyszłość badań w
motoryzacji. Gdy ograniczymy liczbę wypadków, analizy, co dzieje się w
czasie zderzenia, nie będą w tak dużym stopniu potrzebne. Już teraz
samochody uczą się rozpoznawania pieszych na drogach i są w stanie
ograniczać swoją prędkość, gdy wykryją zagrożenie oraz hamować, gdy do
niego dochodzi. Oczywiście nie są to jeszcze rozwiązania idealne. Jeśli
np. ktoś wyszedł z domu w długim płaszczu, zasłania nogi torbą z
laptopem czy siatką z zakupami, pojazd może już nie rozpoznać go jako
pieszego. Algorytm bierze bowiem pod uwagę m.in. to, czy wykrywa
obecność kończyny dolnej z uginającym się stawem kolanowym.
Poza tym są jeszcze kwestie etyczne. Wyobraźmy sobie sytuację, gdy
samochód z takim systemem zmierza ku grupce dzieci i oczywiście wykrywa
niebezpieczeństwo uderzenia w nie, więc zareaguje - tyle że zmieniając
kierunek, uderzy w np. kobietę z dzieckiem albo starszą osobę na
chodniku. I co wtedy? Kto weźmie na siebie odpowiedzialność wpisania w
algorytm wyboru, czyje życie jest cenniejsze?
Jakie badania prowadzi pan aktualnie?
Testuję tzw. LIDAR. To połączenie skanera laserowego
z kamerami, czyli właśnie system, który analizuje, czy obiekt
znajdujący się przed pojazdem jest człowiekiem, czy np. znakiem
drogowym.
Poza tym skupiam się na obrażeniach głowy m.in. pieszych. I z tym
wiążą się dwa moje projekty. Współpracuję z wrocławską firmą, która
niedługo chce wypuścić na rynek nakrycia głowy dla pieszych, rowerzystów
i cyklistów, chroniące ich przed obrażeniami. Nie będą to jednak
kaski, ale czapki, a zatem nakrycie, w którym można zwyczajnie chodzić
po ulicach, nie budząc niczyjego zdziwienia. Nie mogę jeszcze
opowiedzieć zbyt wiele o szczegółach, bo jesteśmy przed zgłoszeniem
patentowym. Zdradzę jedynie, że wykorzystujemy tam specyficzny materiał,
który pochłania energię zderzenia. Do tej pory był testowany na
maszynach wytrzymałościowych, ale wkrótce przebadamy go także u nas, na
impaktorze głowy. Nałożymy czapkę na impaktor, będziemy nim uderzać i
oceniać rezultaty.
A drugi projekt?
Jest międzynarodowy. Razem z naukowcami z Portugalii
badamy korek, którym chcemy zastąpić polistyren (styropian) w kaskach
motocyklistów.
Taki zwykły korek jak z tablic?
Dokładnie. Przy czym jest wiele gatunków korka i to
też bierzemy pod uwagę. Potencjał tego materiału jest ogromny – jest
estetyczny, ekologiczny i ma duże właściwości absorpcyjne, a w dodatku
jego dostępność w Portugalii jest duża.
Jego największą zaletą jest to, że sprawdza się w sytuacji tzw.
double impact. W czasie wypadku motocyklowego motocyklista nie zalicza
najczęściej jednego uderzenia głową, ale kilka. Po pierwszym kask zwykle
się rozbija, chroniąc głowę, ale sprawia to, że przy drugim i trzecim
ta ochrona jest już mniejsza. I tu widzimy rolę korka, który nie tylko
pochłania energię, ale także bardzo szybko powraca do swojej pierwotnej
postaci. Mógłby więc chronić głowę motocyklisty.
Myślimy nad testami różnego rodzaju korków, ale także powiązaniu go z
innymi materiałami jak pianki czy inne tworzywa sztuczne albo poddaniu
go obróbce termicznej. Przed nami jeszcze dużo pracy. Moja rolą w tym
projekcie są oczywiście symulacje numeryczne.
Na ile możemy zawierzyć symulacjom numerycznym? Nie lepiej byłoby po prostu przeprowadzić więcej badań eksperymentalnych?
Nieuczciwy naukowiec może oczywiście sterować
symulacją tak, by wyniki udowadniały jego tezę. Może się też zdarzyć, że
osoba z niewielkim doświadczeniem po prostu nie przeprowadzi jej
fachowo. Dlatego trzeba się konsultować z osobami, które mają podobne
lub większe doświadczenie od nas, by mieć pewność. Zawsze pokazuję
studentom, że można wszystko udowodnić symulacją numeryczną, nawet
bzdurne wyniki. Wystarczy tylko jej nie przemyśleć. Powtarzam im więc,
by każde badanie dogłębnie przeanalizowali kilka razy.
Symulacje są jednak ogromnie pomocne. Nie jesteśmy w stanie
przeprowadzić tysięcy badań eksperymentalnych z użyciem manekinów, bo to
oznaczałoby gigantyczne koszty. Taki oczujnikowany manekin może
kosztować nawet milion dolarów. Raz użyty w badaniu jako pieszy ulega
często zniszczeniu. Symulacje numeryczne dają nam natomiast możliwość
przeprowadzenia testów w najróżniejszych konfiguracjach – przy innym
przyspieszeniu, kącie uderzenia, innej masie ciała pieszego, itd.
Tysiące takich parametrów są później przeliczane przez superszybkie
komputery, a my możemy przeanalizować każdy możliwy czynnik.
Rozmawiała Lucyna Róg
*Dr inż. Mariusz Ptak – jest absolwentem
Politechniki Wrocławskiej na dwóch kierunkach – zarządzanie i inżynieria
produkcji oraz mechanika i budowa maszyn. Tytuł inżyniera uzyskał na
Uniwersytecie w Coventry podczas wymiany studenckiej. Pracuje w
Zakładzie Komputerowego Wspomagania Projektowania i Badań
Doświadczalnych na Wydziale Mechanicznym. Był uczestnikiem programu TOP
500 Innovators. We wrześniu tego roku został wyróżniony przez
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego stypendium naukowym
przyznawanym naukowcom, którzy prowadzą wysokiej jakości badania i mają
imponujący dorobek naukowy w skali międzynarodowej.