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.