[科普中國(guó)]-碰撞生物力學(xué)

碰撞損傷分為開(kāi)放性損傷和閉合性損傷兩種。開(kāi)放性損傷是力或沖擊能量集中地作用在人體上, 使其局部的載荷應(yīng)力超出了破壞值所導(dǎo)致的損傷。閉合性損傷通常是由一些鈍的物體通過(guò)一個(gè)較大的接觸面與人體發(fā)生作用或者是慣性力作用的結(jié)果。碰撞生物力學(xué)主要研究人體各部位在各種形式碰撞中的傷害機(jī)理、對(duì)碰撞載荷的機(jī)械響應(yīng)特性及傷害極限等。碰撞生物力學(xué)的研究領(lǐng)域只要針對(duì)于汽車(chē)碰撞帶來(lái)的人體損傷而言的，如圖1。汽車(chē)的行駛安全性包括主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。主動(dòng)安全性是指汽車(chē)本身防止或減少道路交通事故發(fā)生的性能；而被動(dòng)安全性則是指交通事故發(fā)生后，汽車(chē)本身減輕人員傷害和貨物損失的能力。汽車(chē)被動(dòng)安全性主要包括車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性、碰撞生物力學(xué)、乘員約束系統(tǒng)三方面。人體組織在碰撞過(guò)程中所包含的有關(guān)力學(xué)稱為碰撞生物力學(xué)，它是汽車(chē)被動(dòng)安全技術(shù)開(kāi)展及人體防護(hù)研究的重要基礎(chǔ)，主要目的是了解傷害機(jī)理，定量描述人體生物力學(xué)響應(yīng)。

研究方法具體而言，碰撞生物力學(xué)的研究方法主要分為三種：生物模型研究方法、機(jī)械模型研究方法和數(shù)字模型研究方法。

1）生物模型研究方法生物模型方法主要是指用生物體來(lái)研究人體損傷機(jī)理，既可用人體試驗(yàn)也可用動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。起初，科學(xué)家用活體動(dòng)物作為受試，但由于它們與人體相差很大，所獲得的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)相差甚遠(yuǎn)。同時(shí)，人體死尸的試驗(yàn)也存在倫理的問(wèn)題。另一方面，志愿者實(shí)驗(yàn)是通過(guò)低速或危險(xiǎn)性不大的情況下進(jìn)行并得到更為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但這種實(shí)驗(yàn)需要志愿者的知情通知書(shū)，同時(shí)需要倫理委員會(huì)出具批準(zhǔn)。

2）機(jī)械模型研究方法機(jī)械模型也就是碰撞試驗(yàn)用假人模型，用以評(píng)價(jià)汽車(chē)安全裝置的性能及整車(chē)的安全性。國(guó)內(nèi)的航空醫(yī)學(xué)研究所的動(dòng)態(tài)仿真假人根據(jù)現(xiàn)役飛行員的人體數(shù)據(jù)資料，包括身高、體重等人體參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研制和開(kāi)發(fā)的。它能夠很好的評(píng)價(jià)駕駛員在沖擊環(huán)境中的安全性。

3）數(shù)字模型研究方法數(shù)學(xué)模型方法主要是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)建模來(lái)進(jìn)行仿真，模擬碰撞事故發(fā)生時(shí)人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、以及與可能接觸的車(chē)體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)的關(guān)系。目前，根據(jù)建模方法和功能的不同，主要分為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法和有限元法。數(shù)學(xué)模型方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低、周期短、限制條件少、可重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。但由于計(jì)算機(jī)仿真不可能完全反映真實(shí)的碰撞情形，因此其結(jié)果往往還是需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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劉笑宇 - 講師 - 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院樊瑜波 - 教授 - 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院王麗珍 - 講師 - 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院