Virtuelle Unfälle mit Daten aus der echten Welt

Bevor Autos auf den Markt kommen, müssen sie eine Reihe von Sicherheitstests bestehen. Bei der Optimierung soll ihnen jetzt ein Computer-Modell für Crashtests helfen, das auf Daten von realen Unfällen beruht.

Alle 25 Sekunden, so schätzt die Weltgesundheitsorganisation, stirbt ein Mensch im Straßenverkehr. Crashtest-Puppen mit Beschleunigungsmessern, Kraftsensoren und Dehnungsmessstreifen sollen den Autoherstellern dabei helfen, einen Anstieg der Todesfälle zu verhindern.

Forscher an der Wake Forest University jedoch glauben, dass die Dummys die Grenzen ihrer Nützlichkeit erreicht haben könnten. In den vergangenen fünf Jahren haben sie auf einem Supercomputer Tausende von virtuellen Crash-Simulationen laufen lassen, jede davon mit Daten von Beispielen aus der echten Welt. "Indem wir reale Crashs simuliert haben, können wir die Auswirkungen von Design-Parametern, Sicherheitsmerkmalen und unterschiedlichen Besetzungen der Fahrzeuge untersuchen und Lösungen vorschlagen, die Verletzungen bei den Insassen verhindern oder abmildern würden", sagt Ashley Weaver, Assistant Professor für Biomedizintechnik, die in dem Forscherteam eine wichtige Rolle spielt.

Die Idee an sich ist nicht neu: Schon in den 1930er Jahren machten Wissenschaftler ähnliche Tests mit menschlichen Leichen. Später boten Freiwillige wie John Paul Stapp sich selbst als Versuchsobjekte bei leichten Aufpralltest an, und um die Auswirkungen schwererer Unfälle zu testen, nutzten Forscherteams routinemäßig lebendige Schweine.

Anthropomorphe Testvorrichtungen, wie die dem Untergang geweihten Dummys in der Branche meist genannt werden, liefern Daten zu etwa 20 Punkten des Körpers. Mit digitalen Simulationen wie der des Teams von Wake Forest dagegen lassen sich die Auswirkungen eines Crashs weitaus detaillierter untersuchen. Die Tests beruhen auf unterschiedlichen Körperformen und -größen sowie verschiedenen Positionen beim Aufprall. Das Wake-Forest-Modell kann die Risiken für Knochenbrüche sowie für Schäden an Weichgewebe und Organen quantifizieren, was mit Puppen nicht möglich ist.

Für die Autohersteller sind diese Daten von höchstem Wert. "Mit digitalen Crashtest-Puppen können wir die besten Methoden zur Veränderung von Fahrzeugchassis, Innenräumen, Sitzen, Kopfstützen, Sicherheitsgurten, Armaturenbrettern und aktiven Sicherheitssystemen wie Airbags bestimmen und so die Sicherheit sehr früh im Design-Prozess verbessern", sagt Bill Veenhuis, ein Ingenieur bei Nvidia, das Hardware für Crashtest-Simulationen an mehr als ein Dutzend Autohersteller liefert.

Diese Arbeit kann nicht nur Geld sparen, sondern auch Leben retten. Wenn Sicherheitsverbesserungen schon vor der Produktion von Blechen und anderen Teilen realisiert werden, sind die Kosten in späteren Design-Phasen niedriger. "Statt Energien und Verformungen erst sehr spät im Konstruktionsprozess für ein Fahrzeug zu entdecken, müssen wir bei Tests mit echten Crashtest-Puppen nur noch die Ergebnisse aus den digitalen Durchläufen validieren", sagt Veenhuis. In den USA müssen Autos in mehr als 35 Tests bundesstaatliche Standards erfüllen, die genügend Schutz bei Frontal- und Seitenkollisionen bieten sollen. Je genauer die Simulation, desto höher die Chance, bei den teuren realen Crashtests auf Anhieb zu bestehen.

Weavers Forschungsarbeit, finanziert von Toyota, unterscheidet sich von bisherigen kommerziellen Anwendungen insofern, als die Daten dafür auf detaillierten Angaben über Fahrzeug, Umfeld und medizinische Faktoren beruhen, die aus einer Datenbank zur Unfallforschung stammen. Das digitale Modell mit nicht weniger als 1,8 Millionen Einzelelementen simuliert insgesamt exakt den menschlichen Körper, von der genauen Knochenstärke bis zur Struktur von Organen. So lassen sich auch Verletzungen an Weichteilen oder Knochengewebe erkennen.

Dazu ließ das Team so lange Simulationen laufen, bis sein Modell die Auswirkungen unterschiedlicher Unfälle auf reale Unfallopfer korrekt wiedergab. Derart komplexe Arbeit ist nur dank neuer Entwicklungen bei der Computer-Hardwareleistung möglich. "Vor zwei Jahrzehnten dauerte es zwei Wochen, eine Fahrzeug-Crashanalyse mit einem digitalen Dummy durchzurechnen", sagt Veenhuis. "Heute läuft eine typische Frontaufprall-Studie über Nacht."

Wie jedes Modell erforderte allerdings auch ihres einige Vereinfachungen und Annahmen, erklärt Weaver. So musste das Team in den Simulationen ein allgemeines Auto in Einheitsgröße verwenden, weil es nicht genügend öffentliche Daten über unterschiedliche Fahrzeuge gibt. Und das Modell kann zwar die Auswirkungen eines Crashs auf Menschen unterschiedlicher Größe und in bis zu 140 verschiedenen Positionen simulieren, bei den Ergebnissen aber nicht Alter oder Gesundheitszustand der Insassen berücksichtigen.

Weaver bleibt trotzdem zuversichtlich, dass die Forschungsarbeit letztlich Menschenleben retten und die Schwere von Verletzungen an Knochen und Organen verringern wird. "Meine Hoffnung ist, dass aus dieser Arbeit eine kosteneffektive Lösung für die Bewertung von neuen und bestehenden Sicherheitsmerkmalen von Autos hervorgeht", sagt sie.

(sma)