クラッシュテストダミー：命を救うハイテク人体レプリカ

背景

ファッションマネキンのように人型をしていますが、その皮一枚の下にはハイテク計測機器と最先端の人体模擬構造が隠されています。腹話術人形のように言葉を話せませんが、シートベルト着用啓発の効果的なTVコマーシャルシリーズでは「語り部」として活躍しています。

世界中の道路安全機関は、自動車をレンガ壁に衝突させる衝突安全性試験に依存し、損傷観察と車両性能データを取得しています。試験車両の乗員はクラッシュテストダミー（正式名称「人体模擬試験装置：Anthropomorphic Test Devices」）で、人体に似せて作られ、人体と同様に応答し、高度な計測機器を搭載しています。計測器は加速度、速度、衝撃時減速度、衝撃力、各ダミーの胴体と四肢の動きと変形を記録。これらのデータを安全エンジニアが分析し、人体乗員の挙動と潜在的損傷と関連付けます。

この衝突試験法は普遍的に受け入れられていますが、重大な欠点があります。試験目的によって自動車が部分的または全損します。ダミーは改修再利用可能ですが、人体の複雑さを完全に再現する能力は常に改良の途上にあります。

歴史

1940年代後半までは、自動車試験に死体（カデバー）が使用されていました。実際の人体で損傷を観察できますが、呼吸する柔軟な生体のようには反応しません。クラッシュテストダミーは1949年、米空軍契約でロケット推進ソリ搭載の航空機射出座席試験用に開発されました。「シエラ・サム」が最初のダミーです。自動車業界も同タイプを用いて腰ベルトとショルダーハーネスを開発。シエラ・サムは統計的に正しい体重と関節可動を持つ平均成人男性を模倣していましたが、脊椎と頸部が剛直でした。射出に追従する頭部加速度は測定できましたが、潜在的頭部損傷評価には程遠いものでした。

1952年までに、生きた男性の石膏型からマーク1が製造され、技術水準が大幅に向上。頭部にアルミニウム二分割鋳造の頭蓋を備え、加速度と衝撃力センサーを内蔵。脊椎はボールジョイントとスペーサーの系列で、実在の背骨可動域を模擬。鋼管製肋骨、ビニール皮膚、発泡肉を持ちましたが、四肢は硬直。1956年までに開発された他のダミーは、選択的動作範囲測定用に改良・計装されました。平均以外のサイズ・体重ダミーが初めて作られ、トラクター安全性、潜水士脱出スーツ、NASAの宇宙飛行・安全研究に使用されました。

宇宙計画がダミー設計の次なる進化を促しました。ロケット推力が宇宙カプセル座席に着座した宇宙飛行士に及ぼす影響を評価するため、米欧宇宙計画がグラマン・オルドソン研究ダミー（GARD）の発明を資金援助。着座飛行士は推力方向と完全に同一直線上になければならず、そうでなければ人と座席が捩れて外れます。GARDは重心位置特定と慣性モーメント（加速度に伴う回転傾向）評価プロセスがよく計装された耐久性あるダミーとして重要な技術的ステップとなりました。GARDは現在も射出座席試験に使用されており、このマネキンでは動作範囲が座席で制限されるため、エンジニアが回転、加速度履歴、人と座席間の応力を測定しやすいからです。

1966年まで、航空業界、軍事航空、宇宙計画がテストダミー開発を主導。自動車死亡事故の増加で、拘束システム評価のためダミーの胸郭、脊椎、骨盤、腹腔改良の必要性が高まり、自動車業界が開発の主導権を握りました。数学モデルと身体個別可動域実験で、バネ接続で動作を模擬可能であることが判明。バネは衝撃で動き、リバウンドもするためムチ打ち損傷なども研究可能。腰ベルト試験は骨盤損傷に集中しましたが、ショルダーハーネス開発には胸骨、鎖骨、肩甲骨が必要。ハーネス装着ダミーに内臓運動を模擬する計装内臓嚢を装備。大腿、胸部、頭部の空洞にも計測器を設置し、より複雑な動作と力の偏向を研究。

1970年までに、成人男性ダミーが子供と女性の小さな体躯を正確に表せていないことが明らかに。実際、平均ダミーで安全とされたベルトとハーネスが、小柄な体躯には損傷を与えていました。大型男性モデルと初の女性ダミーが1970年に製造され、シエラ・スタンとシエラ・スージーと命名。同年、シエラ・サミー（6歳児）とシエラ・トドラー（3歳児）が家族に加わりました。どちらも体重分布は正確ではありませんでしたが、初めて代表され研究されました。

子供の損傷評価問題は、多くの子供が事故時に立っていたり従来の着座姿勢でなかったりする事実で複雑化。無拘束児童の動作範囲と潜在的衝撃は遥かに多様です。子供用ダミーの再設計が即座に始まり、1970年代から1990年代にかけて最も集中的に追求された分野となりました。1970年代には改良データで子供により柔軟な骨格と柔らかい関節を与え、車内の多様な姿勢に対応、計測器改良で広範な変数を測定・解釈可能に。チャイルドシート、ブースターシート、エアバッグの開発・試験には乳児、幼児、児童ダミーへの特別な配慮が必要となりました。

1970年代半ばにはコンピュータ解析の進歩も衝突試験に革命をもたらしました。コンピュータ手法でテストダミーの挙動パラメータをほぼ40種類測定可能に。構造材料も改良され、現実的な完全関節可動ダミーが実現。人骨の挙動を再現するため、ダミーの骨をより高い破壊強度のファイバーグラスで製造し、再利用可能に。これら多数の適応でますます専門化したダミーが生まれ、スーパーモルフィックダミーのように自動車衝突試験専用（射出試験には脆すぎる）モデルも登場。

航空試験用特殊ダミーには、軍用ジェット射出時のフレイル（手足の乱れ）防止拘束装置試験専用のLRE（四肢拘束評価器）人体模型。他に実験的パラシュート、ヘリコプター墜落、レーシングカー試験用特殊ダミー。インディ500やCARTタイプのレースカー衝突試験では、重いレーシングヘルメットが頭部衝撃から守る一方、その重量が頸部損傷リスクを増大させることが判明。 1950〜60年代の初期ダミーは体型差を考慮せず、統計的に正しい成人男性のみで、乳児、子供、女性の典型的体型をほとんど代表していませんでした。1970年までに欠点が明確になり、多様な体型が製造されるようになりました。ヘルメット重量が首を伸長させるためです。インディカーがコンクリート壁に衝突すると、70ミリ秒で時速40マイル（64km/h）減速し、ドライバーは60Gの衝撃を受けます。ダミー内蔵のセンサーブラックボックスは、衝突中毎秒2000回すべての力を評価します。

エアバッグの設計・試験でダミー技術が再加速。ダミーファミリーはさらに多様な体型を含むよう拡充。エアバッグ展開による死亡は統計的寸法外の人々に最多発。「不適切着座の小柄乗員（OOP乗員）」が更なるマネキン進化を刺激。エアバッグ展開でダミーは設計限界を超える力を受けました。1997年までにエアバッグ試験と側面衝突エアバッグ開発でダミーファミリーは大幅にアップグレードされました。

原材料

クラッシュテストダミーのボディは、設計・目的・身体部位に応じてアルミニウム、青銅、または鋼鉄の金属部品、およびメッキ材料で構成。多様なプラスチックも採用：デルリン（長寿命アセタール樹脂）、ウレタンとポリウレタンフォーム、ビニール。ほとんどのダミーは現実感を出すため衣服を着用し、特定ベンダーが衣服、塗料、重要ターゲットや測定点マーキング用接着剤を供給。実はダミー構成要素の多くに外部サプライヤーが使われるだけでなく、ダミー設計を承認する連邦試験機関が特定ベンダーの使用を指定することさえあります。

ダミーメーカーは計測機器をほぼ供給しません。設計は機器搭載スペースを提供しますが、計測器は実際の試験条件に極めて特化するため、ダミービルダーの顧客が自社で設置。小型ポテンショメータはメーカー製ラインに組み込まれることもありますが、加速度計や荷重センサーなど高度な計測器は顧客が自社計測パッケージや専門ベンダーから選定。

設計

クラッシュテストダミーの設計は、政府機関、ダミーメーカー、自動車メーカーなど顧客に限定された複雑で孤立したプロセスです。ダミーメーカーは独自設計を行いません。代わりに、国家交通安全局（NTSA）から図面パッケージ、構築仕様、必要試験仕様を受領。欧州機関も類似文書を提供。ダミーメーカーとユーザーは、ダミー製造、修理・改修、事故後外傷観察の経験から設計変更へインプットします。NTSAは事故報告、車内位置、体格・発育変異、解剖データ、シミュレーションなど多数のデータに基づき設計。生体力学専門家が全データを分析し、メーカーへ送る仕様を作成。

製造工程

クラッシュテストダミーの製造は、設計の複雑さと世界的な適格メーカーの少なさから極めて高度な企業秘密です。すべての設計・製造が極めて高い基準を満たし、「Bグレード」ダミーは存在しません。

1. 新ダミーの図面・仕様パッケージ受領時、メーカーはどの部品・材料を特定ベンダーから購入し、どれを承認ベンダー範囲から調達し、どれを内製するか決定。例：ダミー衣服は特定ベンダー指定だが、ビニール皮膚支持用フォームは特定ベンダー指定なし、一定同等品質なら可。
2. 設計図から金属部品切削・鋳造用のパターンと金型を作成、必要な工具準備。鋳造、切削、最大3回の熱処理、メッキ、機械加工でトリミング・平滑化・仕上げ。最後に指定ファスナーで金属部品組立。
3. プラスチックも同様に設計、工具準備、部品・材料に適した射出成形等で成形。機械加工と組立・嵌合で金属部品へ取付。
4. 金属・プラスチックボディ組立後、スキンを装着。一部スキンはビニールをダミー上で成形し、下にフォームを注入して実物のような硬度と柔軟性を付与。他はフォーム裏打ちビニールピースで、衣服のように着脱可能。頭部スキンはアルミ頭蓋にかぶせる一体成形。色も重要。多くの顧客は肌色を希望するが、撮影用試験では赤や黄色系が動きの精密測定を容易にするため好まれる。
5. ダミーは頭蓋、胸部、腹腔、大腿など主要部位に計測器・ケーブル用開口部を持つ。衣服は工場で着せるか、計測器挿入後に顧客で着せるよう提供されることも。

品質管理

品質管理は製造着手前からNTSA（または他機関）により厳格に規定。ダミー組立担当者は「家族」が数千人の公共安全のために犠牲になることを自覚し、品質への強い責任感を持っています。身体部位完成時と全身・頭部組立完了時に、校正ラボで厳格な試験を実施し、設計図・仕様の全詳細への適合を確認。試験にはヘッドドロップテスト、胸部（胸郭）衝撃試験、頭蓋・頸部・膝・その他主要関節の校正、用途により四肢他部位も含む。 クラッシュテストダミーはアルミニウム、青銅、鋼鉄の金属部品とメッキ材料、デルリン、ウレタン・ポリウレタンフォーム、ビニールなど多様なプラスチックで構成。特定ベンダー供給の衣服、塗料、接着剤でマーキング。連邦承認機関が一部材料の特定ベンダーを指定することも。ダミーが表す体躯タイプにより試験結果は異なる。例えば子供の頭部質量は成人より劇的に小さいため、ヘッドドロップテストは大きく異なる。校正試験を証明し、再構築・改修・再校正に使用される一連の認証書（一種の出生証明書）がダミーの寿命を通じて付随します。

副産物/廃棄物

ダミー製造から副産物は発生しません。廃棄物はリサイクル可能な金属とプラスチックに限定されます。

将来展望

コンピュータ技術により、設計改良、試験手法、計測器小型化、データ解析を通じてダミーは人間活動の極限に適応可能になりました。しかし最終的にコンピュータがダミー家族を不要にするかもしれません。コンピュータシミュレーションが非常に高度化し、車両衝突、車体損傷、乗員損傷を再現可能に。シミュレーションは自動車メーカーに魅力的で、1回約75万ドルかかる破壊試験を一部または全て排除できます。シミュレーション後、車両乗員を検証し、特に頭部と脊椎の損傷詳細を分析可能。新車モデルの設計生産スケジュールから最大3ヶ月短縮でき、より幅広い体格のドライバーと乗員にとって安全な新設計が可能になります。

一方、ダミーメーカーは自社ファミリーが存続すると主張。更なる改良・複雑化・技術応用で、ダミーは車両性能の信頼できるバロメーターであり続けると。政府機関もこれを認め、極めて特定の損傷に焦点を当てたダミーとセンサーの製造を要請。1995年は下肢、足部運動、正面衝突によるアキレス腱損傷が焦点。新センサーでハイブリッド350（1997年認証）の脚がバイオニックマンのように。1999年は後方衝突と、機関・大学・メーカー共同研究による最先端脊椎開発へシフト。打撲・擦過するスキンシミュラントへの関心も高まり、これらのデータが医師の皮膚損傷治療改善にも貢献。人間同様、クラッシュテストダミーも我々の命と四肢を救うため進化し続けています。