Maniquí de prueba de choque: La réplica humana de alta tecnología que salva vidas

Introducción

Como un maniquí de moda, el dummy parece humano, pero sus bellezas más que superficiales consisten en instrumentación de alta tecnología y un físico de vanguardia. Y como la versión del ventrílocuo, el maniquí de prueba de choque no puede hablar excepto en una serie altamente efectiva de anuncios televisivos para seguridad de cinturones.

Agencias de seguridad vial en todo el mundo confían en la prueba de resistencia al choque en la que un automóvil es embestido contra un muro de ladrillo para observar daños y generar datos sobre el rendimiento del coche. Los ocupantes del vehículo de prueba son maniquíes de prueba de choque (propiamente llamados «Dispositivos de Prueba Antropomórficos») fabricados para parecerse y responder como cuerpos humanos y cargados con instrumentación sofisticada. Los instrumentos registran información sobre aceleración, velocidad, desaceleración al impacto, fuerza de impacto y los diversos movimientos y deformaciones del torso y extremidades de cada maniquí. Estos datos son estudiados por ingenieros de seguridad y relacionados con comportamientos de ocupantes humanos y sus lesiones potenciales.

El método de prueba de choque tiene fallos importantes a pesar de su aceptación universal. El automóvil (u otro vehículo) se daña parcial o totalmente, según el objetivo de la prueba. Los maniquíes pueden retroinstalarse y reutilizarse muchas veces, pero su capacidad para responder con todas las complejidades de cuerpos humanos siempre se está perfeccionando.

Historia

Antes de finales de los 40, los automóviles se probaban usando cadáveres. Las lesiones podían observarse en cuerpos reales, pero los cadáveres no respondían como seres flexibles y respirantes. Los maniquíes de prueba de choque se desarrollaron en 1949 bajo contrato de la Fuerza Aérea de EE. UU. para probar asientos de eyección de aviones montados en trineos propulsados por cohetes sobre rieles. «Sierra Sam» fue el primer maniquí. La industria automotriz luego usó el mismo tipo de maniquí para desarrollar cinturones de seguridad abdominales y arneses de hombro. Sierra Sam parecía al hombre adulto promedio con peso estadísticamente correcto y extremidades articuladas; sin embargo, la columna y cuello de Sam eran rígidos. La aceleración de su cabeza al seguir la trayectoria de eyección podía medirse, pero estaba lejos de ser suficiente para evaluar lesiones craneales potenciales.

Para 1952, el Mark 1 se fabricó a partir de un molde de yeso de un hombre vivo, y este maniquí marcó enorme mejora en el estado del arte. Su cráneo albergaba sensores para medir aceleración y fuerza de impacto, y fue fundido en dos piezas de aluminio. La columna del Mark 1 consistía en serie de articulaciones esféricas con separadores para simular rango de movimiento de una columna real. El maniquí también tenía costillas de tubos de acero, piel de vinilo y carne de espuma, pero extremidades rígidas. Otros maniquíes desarrollados hasta 1956 se modificaron e instrumentaron para medir rangos seleccionados de movimientos. Maniquíes de tamaños y pesos distintos al promedio se fabricaron por primera vez, y estos maniquíes post-Mark 1 se usaron para probar seguridad de tractores, trajes de buzos para escapes subacuáticos, y aspectos de vuelo e investigación espacial para la NASA.

Los programas espaciales motivaron los siguientes avances en diseño de maniquíes. Para evaluar efectos de empuje de cohete en astronautas atados en asientos de cápsulas espaciales, los programas espaciales estadounidense y europeo financiaron la invención del Maniquí de Investigación Grumman-Alderson (GARD). El astronauta sentado tenía que estar perfectamente alineado con dirección del empuje del cohete, o tanto el hombre como el asiento se torcerían fuera de lugar. GARD fue paso tecnológico importante porque los procesos de localizar el centro de gravedad y evaluar el momento de inercia (tendencia a rotar con aceleración) estaban bien instrumentados en este maniquí duradero. GARD aún se usa para probar asientos de eyección porque los asientos restringen rangos de movimiento en este maniquí manteniéndolos lo suficientemente simples para que ingenieros midan rotaciones, historial de aceleración y tensiones entre el hombre y el asiento.

Hasta 1966, la industria aeronáutica, aeronáutica militar y programa espacial lideraron desarrollo de maniquíes de prueba. La industria automotriz se convirtió en fuerza impulsora en desarrollo de maniquíes de prueba de choque ese año, ya que fatalidades automovilísticas enfatizaron necesidad de mejoras en caja torácica, columna, pelvis y cavidad abdominal del maniquí para evaluar sistemas de retención. Modelos matemáticos y experimentos con rangos separados del cuerpo mostraron que movimientos podían simularse con conexiones de muelles. Los muelles se mueven al impacto y también rebotan, permitiendo estudiar efectos como latigazo cervical. Pruebas de cinturones de seguridad abdominales se concentraron en lesiones a pelvis, pero desarrollo del arnés de hombro requirió que el maniquí tuviera esternón, clavículas y omóplatos. El maniquí con arnés equipaba saco visceral instrumentado que imitaba movimientos de órganos internos. Instrumentación también se instaló en cavidades de muslos, pecho y cabeza para que movimientos más complejos y deflexiones de fuerza pudieran estudiarse.

Para 1970, era evidente que el maniquí adulto masculino no representaba con precisión las proporciones menores de niños y mujeres. De hecho, algunas lesiones en físicos menores eran causadas por cinturones y arneses probados seguros por el maniquí promedio. Un modelo masculino mayor y el primer maniquí femenino se produjeron en 1970 y se llamaron Sierra Stan y Sierra Susie. Ese mismo año, añadieron a su familia con Sierra Sammy (seis años) y Sierra Toddler (tres años). Ningún niño era correcto en distribución de peso, pero al menos estaban representados y estudiados por primera vez.

El problema de evaluar lesiones en niños se complicó porque muchos niños resultan heridos en accidentes automovilísticos porque están de pie o no sentados convencionalmente durante esos accidentes. Los rangos de movimientos e impactos potenciales son, por tanto, mucho más variables para niños sin retención. Rediseño de maniquíes infantiles siguió inmediatamente, y modificaciones a maniquíes infantiles continuaron siendo el área más intensamente perseguida de diseño de pruebas de choque desde los 70 hasta los 90. En los 70, datos mejorados dieron a los niños esqueletos más flexibles y articulaciones de extremidades más flexibles que adultos, los hicieron adaptables a varias posiciones en el coche, y mejoraron instrumentación para que el rango más amplio de variables pudiera medirse o interpretarse. Desarrollo y pruebas de asientos de seguridad infantil, asientos elevadores y airbags necesitaron atención especial hacia maniquíes de bebés, niños pequeños y jóvenes.

Mejoras en análisis por computadora también revolucionaban pruebas de choque a mediados de los 70. Métodos computacionales permitieron medir casi cuarenta parámetros diferentes en el comportamiento de maniquíes de prueba. Materiales de construcción se mejoraron similarmente para hacer posibles maniquíes totalmente articulados y realistas. Para replicar comportamiento de huesos humanos, los huesos del maniquí se fabricaron de fibra de vidrio con mayor resistencia a rotura para que el maniquí pudiera reutilizarse. Estas muchas adaptaciones llevaron a maniquíes cada vez más especializados, sin embargo, por lo que modelos como el Maniquí Supermórfico se fabricaron exclusivamente para pruebas de choque de coches —eran demasiado frágiles para pruebas de eyección.

Especializaciones en maniquíes para pruebas aeronáuticas incluyeron el Evaluador de Restricción de Extremidades (LRE) Maniquí Antropomórfico, creado especialmente para probar dispositivos de retención que previenen lesiones por agitación durante eyección de jets militares. Otros maniquíes especializados probaron paracaídas experimentales, choques de helicópteros y coches de carreras. Por ejemplo, pruebas de choques involucrando coches de carreras (tipo Indianápolis 500 o circuito CART) mostraron que los pesados cascos de carrera usados por pilotos protegen sus cabezas de daño por impacto, pero el peso del casco aumenta riesgo de lesiones cervicales Los primeros maniquíes de prueba de choque fabricados durante los 50 y 60 no abordaban diferencias entre tipos de cuerpo. Esos primeros maniquíes eran hombres adultos estadísticamente correctos, y como tales, poco representaban los tipos de cuerpo típicos de bebés, niños y mujeres. Para 1970, las deficiencias de los maniquíes eran evidentes y se fabricaron varios tipos de cuerpo. porque fuerza al cuello a elongarse. Impacto de un Indy contra muro de hormigón reduce velocidad del coche 64 km/h (40 mph) en 70 milisegundos, y el piloto siente impacto de 60 veces la fuerza de gravedad. La «caja negra» sensora en el maniquí evalúa todas las fuerzas en juego 2.000 veces por segundo mientras el choque está en progreso.

La tecnología de maniquíes de prueba aceleró desarrollo nuevamente con diseño y prueba del airbag. La familia de maniquíes se diversificó aún más para incluir aún más tipos de cuerpo. Fatalidades por despliegue de airbag ocurrieron más a menudo entre personas fuera de dimensiones estadísticas. Estos «ocupantes pequeños fuera de posición» u OOP estimularon más cambios evolutivos en los maniquíes. El despliegue de airbag sometió a los maniquíes a fuerzas que excedían sus capacidades de diseño. Mejoras significativas en la familia de maniquíes tuvieron lugar para 1997 gracias a pruebas de airbag y desarrollo de airbags de impacto lateral.

Materias primas

El cuerpo del maniquí de prueba de choque está hecho de piezas metálicas consistentes en aluminio, bronce o acero (según diseño, propósito y partes del cuerpo) así como materiales de chapado metálico. Una amplia variedad de plásticos también se incorpora en la mayoría de diseños, e incluyen Delrin (tipo de resina acetato de larga duración), espumas de uretano y poliuretano, y vinilo. La mayoría de maniquíes visten ropa para simular realidad, y proveedores específicos suministran ropa, pintura y adhesivos para marcar objetivos críticos o puntos de medición en los maniquíes. De hecho, no solo se usan proveedores externos para muchos componentes del maniquí, sino que agencias federales de prueba que aprueban diseños de maniquíes dictan proveedores específicos que deben usarse para algunos materiales.

Los fabricantes de maniquíes suministran poca o ninguna instrumentación. Los diseños proveen espacio para que la instrumentación se asegure, pero la instrumentación es tan específica a condiciones reales de prueba que los clientes de los constructores de maniquíes instalan la suya. Algunos potenciómetros pequeños a veces se integran en líneas del fabricante, pero instrumentos más sofisticados como acelerómetros y sensores de medición de carga son seleccionados por el cliente de sus propios paquetes de instrumentación o proveedores especializados.

Diseño

El diseño de maniquíes de prueba de choque es un proceso intrincado y aislado limitado a agencias gubernamentales, fabricantes de maniquíes y clientes como fabricantes de automóviles. Los fabricantes de maniquíes no son responsables de crear sus propios diseños. En su lugar, reciben paquetes de planos, conjuntos de especificaciones de construcción y especificaciones para pruebas requeridas de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico (NHTSA). Agencias europeas proporcionan conjuntos similares de documentos a fabricantes de maniquíes. Basados en sus experiencias construyendo maniquíes, reparándolos o retroinstalándolos, y observando sus traumas post-accidente, fabricantes de maniquíes, así como usuarios, tienen input en cambios de diseño. La NHTSA basa sus diseños en multitud de datos incluyendo reportes de accidentes, ubicación dentro del vehículo, variaciones en físico y desarrollo físico, autopsias y simulaciones. Expertos en biomecánica analizan todos los datos disponibles y crean las especificaciones enviadas a fabricantes.

Proceso de fabricación

La fabricación de maniquíes de prueba de choque es altamente propietaria debido a las complejidades de diseño y el pequeño número de fabricantes calificados en el mundo. Todo diseño y construcción cumple un conjunto de estándares extremadamente alto; no hay maniquíes de «grado B».

1. Cuando se recibe el paquete de planos y especificaciones para un nuevo maniquí de prueba de choque, el fabricante comienza determinando qué piezas y materiales deben comprarse de proveedores específicos, cuáles de un rango de proveedores aprobados, y cuáles fabricarse internamente. Como ejemplos, la ropa para los maniquíes es provista por proveedor específico; pero para la espuma que soporta la piel de vinilo, se evita nombrar proveedores específicos, y el fabricante solo debe cumplir ciertos equivalentes.
2. Patrones y moldes para piezas metálicas a cortar o fundir se hacen a partir de dibujos de diseño, y se hace utillaje necesario para preparar las piezas metálicas. Se funden, cortan, tratan térmicamente hasta tres veces, chapian y mecanizan para recortar, suavizar y refinar piezas completadas. Finalmente, las piezas metálicas se ensamblan usando sujetadores también especificados.
3. Los plásticos se diseñan, utillan y moldean similarmente por inyección u otros métodos adecuados a la pieza y material. Los plásticos también se mecanizan y ensamblan o ajustan a las piezas metálicas.
4. Tras ensamblar el cuerpo metálico y plástico del maniquí, la piel se ajusta al maniquí. Algunas pieles consisten en vinilo moldeado sobre el maniquí con espuma inyectada bajo el vinilo para dar firmeza y flexibilidad a la piel que parece real. Otras pieles consisten en piezas de vinilo respaldadas con capas de espuma. Estas piezas pueden ponerse y quitarse como ropa. La piel que cubre la cabeza es una pieza que encaja sobre el cráneo de aluminio. Los colores son también muy importantes para la piel del maniquí. Muchos clientes quieren tonos de piel, pero piel con coloraciones rojas o amarillas a veces se prefiere cuando el maniquí se usará en pruebas filmadas. Los tonos amarillo y rojo facilitan medición precisa de movimientos en filmación.
5. El maniquí está diseñado con aberturas para instrumentación y cableado. Estas están en partes mayores del cuerpo incluyendo cráneo, pecho, cavidad abdominal y muslos. La ropa a veces se ajusta a los maniquíes en fábrica o se provee al cliente para que el maniquí pueda vestirse tras insertar la instrumentación.

Control de calidad

El control de calidad se especifica rígidamente por la NHTSA (u otras agencias) antes de considerar la fabricación. Los ensambladores de maniquíes son conscientes de que su «familia» será sacrificada por la seguridad de miles de miembros del público, así que sienten intensa responsabilidad hacia temas de calidad. Cuando partes del cuerpo están completas y cuando el cuerpo y cabeza completos están ensamblados, el maniquí pasa por un riguroso conjunto de pruebas en el laboratorio de calibración, donde se realizan pruebas requeridas y se toman mediciones para confirmar que el producto conforma cada detalle de los dibujos de diseño y especificaciones. Pruebas incluyen prueba de caída de cabeza, prueba de impacto de tórax (pecho) El maniquí de prueba de choque está hecho de piezas metálicas consistentes en aluminio, bronce o acero así como materiales de chapado metálico. Una amplia variedad de plásticos también se incorporan en la mayoría de diseños, e incluyen Delrin (un tipo de resina acetato de larga duración), espumas de uretano y poliuretano, y vinilo. La mayoría de maniquíes visten ropa para simular realidad, y proveedores específicos suministran ropa, pintura y adhesivos para marcar objetivos críticos o puntos de medición en los maniquíes. De hecho, no solo se usan proveedores externos para muchos componentes del maniquí, sino que las agencias federales de prueba que aprueban diseños de maniquíes dictan proveedores específicos que deben usarse para algunos materiales. y calibración de cráneo, cuello, rodillas, otras articulaciones mayores y a veces otras partes de extremidades según uso del maniquí. Dependiendo del tipo de físico que el maniquí pretenda representar, los resultados de prueba variarán. La masa de cabeza de un niño, por ejemplo, es dramáticamente menor que de un adulto, por tanto la prueba de caída de cabeza será bastante diferente. Un conjunto de certificaciones —una especie de acta de nacimiento— acompaña al maniquí durante su vida útil para probar su calibración y para uso en reconstrucción, retroinstalación y recalibración.

Subproductos y residuos

No hay subproductos de la fabricación de maniquíes. Los residuos se limitan a metal y plástico que pueden reciclarse.

El futuro

Las tecnologías computacionales han hecho el maniquí de prueba de choque adaptable a los extremos de la actividad humana mediante mejoras de diseño, métodos de prueba, miniaturización de instrumentos y análisis de datos. En última instancia, sin embargo, la computadora puede resultar fatal para la familia de maniquíes. Las simulaciones por computadora se vuelven tan sofisticadas que pueden representar choques de coches, daños al propio vehículo y lesiones a ocupantes. Las simulaciones son atractivas para fabricantes de autos porque eliminan algunas, si no todas, las pruebas destructivas, que cuestan aproximadamente $750.000 por prueba. Ocupantes del vehículo pueden examinarse tras impacto simulado, y detalles de lesiones a cabeza y columna especialmente pueden analizarse. Hasta tres meses de tiempo de diseño pueden eliminarse del calendario diseño-producción para un nuevo modelo de coche, y nuevos diseños pueden ser más seguros para una gama más amplia de conductores y pasajeros de diferentes tamaños.

Los fabricantes de maniquíes, por otro lado, insisten en que sus familias han venido para quedarse. Más modificaciones y complejidades así como aplicaciones tecnológicas han hecho a los maniquíes de prueba de choque barómetros fiables para rendimiento de vehículos. Agencias gubernamentales reconocen esto y piden a fabricantes producir maniquíes y sensores que se centren en lesiones muy específicas. En 1995, este foco giró a piernas inferiores, movimiento de pies y daño a tendones de Aquiles causado por impactos frontales. Nuevos sensores hicieron las piernas del Hybrid 350 (certificado en 1997) parecerse a las de un hombre biónico. En 1999, el énfasis cambió a colisiones traseras y a desarrollar vértebras de vanguardia mediante investigación cooperativa entre agencias, universidades y fabricantes. También crece interés en simulantes de piel que se moreteen y abraden durante accidentes; datos de estos desarrollos también ayudarán a médicos a mejorar tratamientos para lesiones cutáneas. Como sus contrapartes humanas, el maniquí de prueba de choque sigue evolucionando para el propósito de salvar nuestras vidas y extremidades.