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            豐田無償公開虛擬人體模型“THUMS”



            (2021年3月1日,北京)作為促進實現安全出行社會的舉措之一,豐田汽車公司(以下簡稱“豐田”)無償公開可在電腦上解析汽車碰撞事故對人體造成傷害的虛擬人體模型THUMS(Total Human Model for Safety)。通過無償公開THUMS,讓更多的企業及研究機構能夠利用THUMS,從而為提升汽車安全性做出切實的貢獻。


            有相關需求的用戶可通過https://www.toyota.co.jp/thums/網站了解相關信息并申請獲取資料。


            豐田的THUMS是一款在電腦上對汽車碰撞事故中人體所受傷害進行分析的先進虛擬模型。歷經20年改良,確立了作為提高豐田汽車碰撞安全性不可或缺的技術地位,在全球范圍內被研究人員和技術人員廣泛應用。模擬碰撞不像現實中那樣要使用真實車輛進行碰撞試驗,不需要制作真實的模型,然后再破壞丟棄,對環境非常友好。豐田希望為整個汽車產業提高汽車安全性提供幫助,所以決定開始免費公開這項技術,讓更多的企業和研究機構使用THUMS,從而向所有人提供安全出行,并通過不斷拓展合作伙伴,力爭實現交通事故零傷亡。


            THUMS是什么?


            豐田與豐田中央研究所從1997年開始聯手開發的虛擬人體模型,用于對車輛碰撞時乘客所受傷害進行再現和分析,并在2000年成功推出當時全球首款模擬全身的虛擬人體模型THUMS。歷經多次改良后,最新模型可以精密再現包括骨骼、大腦、內臟、肌肉在內的全身形狀和強度。而且在開發之初就認為研究過程中考慮人類多樣性是一件非常重要的事情,所以逐步廣泛增加了不同年齡、性別和體格的模型。


            從事相關研究開發工作將近20年北川裕一先生,一直致力于提高汽車的安全性,被譽為“THUMS先生”。下面是關于THUMS開發的故事。




            Q:汽車模擬碰撞是怎樣開發出來的呢?


            A:模擬碰撞技術的研究工作誕生于20世紀50年代在美國軍事航空領域。進入20世紀80年代后,汽車制造商也開始積極地參與其中,試圖摸索出一套高效開發車輛的方法,而不再只依靠試制和試驗。車輛碰撞過程不到1秒,運用模擬技術可以詳細分析車體變形吸收能量的情況。20世紀90年代運用模擬碰撞技術不僅可以分析車體變形的情況,還可以分析乘客動作和負荷情況。




            Q:研究工作從以車體為核心的模擬碰撞,逐漸擴展到分析乘客在事故中受到沖擊及受傷的情況,進而發展到開發虛擬人體模型。那么具體是如何開發的呢?


            A:分析乘客動作和負荷情況需要對人體本身有一定的相關專業知識。豐田與豐田中央研究所向國外的大學派遣技術人員,學習研究生物工程學。我本人也在國外學習了2年生物工程學。在大學里,我們使用捐獻的遺體對人體究竟能承受多大負荷開展研究。若想開發真正安全的汽車,就需要能夠再現脆弱人體的虛擬人體模型,若要開發這種虛擬人體模型,又必須了解人體結構。


            Q:豐田與豐田中央研究所隨后啟動了虛擬人體模型開發項目,并在2000年推出第一版THUMS。使用虛擬人體模型精密再現全身是全球首次,開發過程大概相當困難吧。


            A:據當時的開發負責人介紹,他們先是在電腦上以手工方式逐一建立人體骨骼和內臟等各部分形狀,然后將各部分相互組合后再現全身。人體建立完成后,再定義骨骼和內臟等各部位受到負荷時如何變形如何被破壞,從而最終完成THUMS。



            2000年推出的第一版THUMS

            Q:THUMS有何優勢?


            A:使用THUMS可以詳細分析發生碰撞時乘客受到的傷害?,F實中碰撞試驗使用的測試假人設計得很牢固,可承受多次碰撞試驗。雖然能夠準確測量人體受到的負荷,但卻無法再現骨折等人體組織受到損傷的情況。而且碰撞試驗要使用真實車輛,多次重復開展試驗存在一定困難。而使用THUMS的模擬碰撞卻可以改變條件進行幾十乃至幾百幾千次的測試。


            Q:20年來THUMS是如何發展進化的呢?


            A:傷害分析的對象不斷得到擴充,先是骨骼,然后又增加了大腦、內臟等。最新的第六版還增加了肌肉,可以分析剎車時的姿勢變化等。第一版THUMS的第一個模型模擬的是成年男性的平均體格,之后又增加了不同性別、年齡和體格的模型*1,可以分析不同人群使用道路交通時受到的傷害。



            使用THUMS分析追尾時的動作

            THUMS的運用


            Q:最開始將使用THUMS的碰撞仿真技術用于碰撞安全性的事例中,有一個是研究如何減輕“頸部扭傷”的吧?


            A:追尾是交通事故中最常見的情況。頸部扭傷是指汽車被追尾時乘客頸部受到傷害。有報告稱在輕微事故造成車體損傷較小的案例中,也經常會造成乘客頸部扭傷,很多時候就算拍片檢查也無法發現明顯的組織損傷,其形成原理尚不明確。乘客正常情況下坐在座位上時背部會貼在靠背上,后腦距頭枕很近。汽車被追尾后,乘客軀干與靠背一起被推向前方,而頭部在接觸到頭枕前會保持不動。我們假設此時頸部上下兩端發生前后錯位而對關節產生負荷,使用THUMS對追尾時的頸部動作進行再現,并設計出一款“WIL概念座椅”*2。這款座椅在背部陷入靠背的同時,可以更快地用頭枕撐住后腦勺,防止頸部發生前后錯位。隨后WIL概念座椅在豐田制造的汽車中得到廣泛采用。歐洲的保險公司對追尾事故中頸部扭傷的數量進行調查后,發現在安裝WIL座椅的車輛中頸部扭傷的數量相對 較少。如今WIL概念座椅在全部車型中已經是標配。


            Q:追尾時頸部與軀干的詳細動作是只有THUMS才能再現和分析的典型事例。除此之外,我們聽說也在對孕婦乘客的安全開展研究。


            A:我們在第一版THUMS的嬌小女性乘客模型的基礎上,開發出模擬懷孕7個月女性乘客的孕婦模型。當時很多孕婦乘車時都會擔心安全帶對腹部造成壓迫,從而不佩戴安全帶,所以豐田汽車參考專家的意見,引導孕婦們乘車時佩戴好安全帶。



            孕婦模型與腹中胎兒的情況

            安全帶不應隨便佩戴在肚臍上方,而應戴在小腹部,有意識地掛勒在骨盆上。這樣可以減少對腹部的壓迫。碰撞安全小組設計出將安全帶拉到腿部的帶子,并分發給經銷商。THUMS開發小組為了讓孕婦放心佩戴安全帶,在2004年前后著手開發THUMS的孕婦模型,通過數據證明妊娠期將安全帶佩戴在小腹部的重要性。


            Q:孕婦模型是如何開發的呢?


            A:我曾前往婦產科征詢婦產科醫生的意見,閱讀與孕婦身體相關的專業書籍。不過,在婦產科的候診室,飽受孕婦們的白眼。在認真研讀解剖圖時,生怕被身旁經過的女員工發現,于是手忙腳亂地合上書本。


            雖然歷經周折,但最終還是與豐田中央研究所成功開發出可以模擬子宮、胎兒、胎盤、臍帶、羊水的孕婦模型。使用該模型進行模擬,印證了將安全帶穿過小腹勒在骨盆上可以將對子宮、胎盤的壓迫降低到最小,從而保護母體。豐田在汽車技術學會的學術講演會上公布了這項研究成果。2008年日本交通法規修訂后,人們又重新認識到懷孕時佩戴安全帶的必要性。


            實現安全的出行社會


            綜上所述,THUMS為提高汽車碰撞安全性不斷做出貢獻,該技術今后還有助于實現更加安全多樣的出行社會。目前已有100多家汽車制造商、供應商、大學、研究機構等將THUMS用于汽車安全研究上。2021年1月免費公開THUMS后,可以讓更多相關方使用,能夠幫助整個汽車行業實現交通事故零傷亡,打造安全的出行社會。


            豐田汽車也將使用THUMS不斷加快安全研究,不僅會開展汽車碰撞安全方面的研究,還將推動實現安全放心出行社會的研究,確保將來出行和道路交通的安全。豐田作為一家出行公司不僅為汽車產業做貢獻,還希望為建設安全放心的城市做出貢獻。




            *1 兒童模型沒有增加肌肉。
            *2 WIL:Whiplash Injury Lessening是降低頸部傷害的縮寫



            THUMS開發小組(左上是北川)

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