Mannequin de Crash-Test : La Réplique Humaine Haute Technologie qui Sauve des Vies

Contexte

Comme un mannequin de mode, le mannequin ressemble à un humain, mais ses beautés plus que superficielles consistent en une instrumentation haute technologie et une physiologie à la pointe. Et comme la version du ventriloque, le mannequin de crash-test ne peut pas parler, sauf dans une série très efficace de publicités télévisées pour la sécurité des ceintures.

Les agences de sécurité routière du monde entier s'appuient sur le test de crashworthiness dans lequel une automobile est projetée contre un mur en brique pour observer les dégâts et générer des données sur la performance de la voiture. Les occupants du véhicule d'essai sont des mannequins de crash-test (proprement appelés « Dispositifs d'Essai Anthropomorphes ») fabriqués pour ressembler et réagir comme des corps humains et chargés d'une instrumentation sophistiquée. Les instruments enregistrent l'accélération, la vitesse, la décélération à l'impact, la force d'impact, et les divers mouvements et déformations du torse et des membres de chaque mannequin. Ces données sont étudiées par les ingénieurs sécurité et reliées aux comportements d'occupants humains et leurs blessures potentielles.

La méthode de crash-test a des défauts majeurs malgré son acceptation universelle. L'automobile (ou autre véhicule) est partiellement ou totalement endommagée, selon l'objectif du test. Les mannequins peuvent être rénovés et réutilisés maintes fois, mais leur capacité à répondre avec toutes les complexités des corps humains est en perpétuel perfectionnement.

Histoire

Avant la fin des années 1940, les automobiles étaient testées avec des cadavres. Les blessures pouvaient être observées sur de vrais corps, mais les cadavres ne réagissaient pas comme des êtres respirants et flexibles. Les mannequins de crash-test ont été développés en 1949 sous contrat de l'US Air Force pour tester des sièges éjectables d'avions montés sur des traîneaux à propulsion par fusée sur rails. « Sierra Sam » fut le premier mannequin. L'industrie automobile a ensuite utilisé le même type de mannequin pour développer les ceintures abdominales et les harnais d'épaule. Sierra Sam ressemblait à l'homme adulte moyen avec un poids statistiquement correct et des membres articulés ; cependant, la colonne vertébrale et le cou de Sam étaient rigides. L'accélération de sa tête suivant la trajectoire d'éjection pouvait être mesurée, mais c'était loin de suffire pour évaluer les blessures potentielles à la tête.

En 1952, le Mark 1 fut fabriqué à partir d'un moulage en plâtre d'un homme vivant, marquant une énorme amélioration de l'état de l'art. Son crâne logeait des capteurs mesurant l'accélération et la force d'impact, et était coulé en deux pièces d'aluminium. La colonne du Mark 1 consistait en une série d'articulations rotules avec entretoises pour simuler l'amplitude de mouvement d'une vraie colonne vertébrale. Le mannequin avait aussi des côtes en tubes d'acier, une peau en vinyle, une chair en mousse, mais des membres raides. D'autres mannequins développés jusqu'en 1956 furent modifiés et instrumentés pour mesurer une gamme sélectionnée de mouvements. Des mannequins de tailles et poids autres que la moyenne furent créés pour la première fois, et ces mannequins post-Mark 1 furent utilisés pour tester la sécurité des tracteurs, les combinaisons de nageurs de combat pour échappées sous-marines, et les aspects de vol et sécurité de la recherche spatiale pour la NASA.

Les programmes spatiaux ont motivé les avancées suivantes dans le design des mannequins. Pour évaluer les effets de la poussée de fusée sur des astronautes sanglés dans des capsules spatiales, les programmes spatiaux américains et européens ont financé l'invention du Grumman-Alderson Research Dummy (GARD). L'astronaute assis devait être parfaitement aligné avec la direction de la poussée, sinon l'homme et le siège se tordaient hors de place. GARD fut une étape technologique importante car les processus de localisation du centre de gravité et d'évaluation du moment d'inertie (tendance à tourner avec l'accélération) y étaient bien instrumentés dans ce mannequin durable. GARD est encore utilisé pour tester les sièges éjectables car les sièges limitent les amplitudes de mouvement dans ce mannequin, les gardant assez simples pour que les ingénieurs mesurent rotations, historique d'accélération et contraintes entre l'homme et le siège.

Jusqu'en 1966, l'industrie aéronautique, l'aéronautique militaire et le programme spatial ont mené le développement des mannequins d'essai. L'industrie automobile est devenue la force motrice du développement des mannequins de crash-test cette année-là, les décès automobiles soulignant le besoin d'améliorations dans la cage thoracique, la colonne, le bassin et la cavité abdominale du mannequin pour évaluer les systèmes de retenue. Des modèles mathématiques et expériences avec des parties séparées du corps ont montré que les mouvements pouvaient être simulés avec des connexions à ressorts. Les ressorts bougent à l'impact et rebondissent aussi, permettant d'étudier des effets comme le coup du lapin. Les tests de ceintures abdominales se concentraient sur les blessures au bassin, mais le développement du harnais d'épaule nécessitait que le mannequin ait un sternum, des clavicules et des omoplates. Le mannequin harnaché était équipé d'une poche viscérale instrumentée imitant les mouvements des organes internes. L'instrumentation fut aussi installée dans des cavités aux cuisses, thorax et tête pour étudier mouvements plus complexes et déviations de force.

En 1970, il était apparent que le mannequin adulte mâle de taille moyenne ne représentait pas fidèlement les proportions plus petites des enfants et des femmes. En fait, certaines blessures aux physionomies plus petites étaient causées par des ceintures et harnais prouvés sûrs par le mannequin moyen. Un modèle masculin plus grand et le premier mannequin féminin furent produits en 1970 et nommés Sierra Stan et Sierra Susie. La même année, ils agrandirent leur famille avec Sierra Sammy (six ans) et Sierra Toddler (trois ans). Aucun des deux enfants n'était correct en distribution de poids, mais au moins ils étaient représentés et étudiés pour la première fois.

Le problème de l'évaluation des blessures aux enfants était compliqué par le fait que beaucoup d'enfants sont blessés dans les accidents automobiles parce qu'ils sont debout ou pas assis conventionnellement pendant ces accidents. L'amplitude des mouvements et impacts potentiels est donc bien plus variable pour les enfants non retenus. La refonte des mannequins enfants a suivi immédiatement, et les modifications aux mannequins enfants ont continué d'être le domaine le plus intensément poursuivi du design de crash-test des années 1970 aux années 1990. Dans les années 1970, des données améliorées ont donné aux enfants des squelettes plus flexibles et des articulations plus souples que les adultes, les ont rendus adaptables à diverses positions dans la voiture, et ont amélioré l'instrumentation pour que la gamme plus large de variables puisse être mesurée ou interprétée. Le développement et les tests de sièges de sécurité enfants, rehausseurs et airbags ont nécessité une attention particulière vers les mannequins nourrissons, bambins et jeunes enfants.

Les améliorations en analyse informatique révolutionnaient aussi les crash-tests au milieu des années 1970. Les méthodes informatiques permettaient la mesure d'une quarantaine de paramètres différents dans le comportement des mannequins. Les matériaux de construction furent de même améliorés pour rendre possibles des mannequins réalistes et pleinement articulés. Pour répliquer le comportement des os humains, les os du mannequin furent fabriqués en fibre de verre avec une résistance à la rupture plus grande pour que le mannequin puisse être réutilisé. Ces nombreuses adaptations ont conduit à des mannequins de plus en plus spécialisés, cependant, si bien que des modèles comme le Supermorphic Dummy furent faits exclusivement pour les crash-tests automobiles — trop fragiles pour les tests d'éjection.

Les spécialisations dans les mannequins d'essai aéronautiques incluaient le Limb Restraint Evaluator (LRE) Anthropomorphic Manikin, créé spécialement pour tester les dispositifs de retenue prévenant les blessures dues aux mouvements désordonnés lors d'éjection de jets militaires. D'autres mannequins spécialisés testaient parachutes expérimentaux, crashes d'hélicoptères, et voitures de course. Par exemple, les tests de crashes impliquant des voitures de course (type Indianapolis 500 ou championnat CART) ont montré que les lourds casques de course portés par les pilotes protègent leur tête des dommages d'impact, mais le poids du casque augmente le risque de blessures cervicales car il force le cou à s'allonger. L'impact d'une Indy car dans un mur en béton réduit la vitesse de 64 km/h en 70 millisecondes, et le pilote ressent un impact de 60 fois la force de gravité. La « boîte noire » à capteurs dans le mannequin évalue toutes les forces en jeu 2 000 fois par seconde pendant le crash.

La technologie des mannequins a de nouveau accéléré avec la conception et les tests de l'airbag. La famille de mannequins s'est diversifiée pour inclure encore plus de types corporels. Les décès dus au déploiement d'airbag survenaient le plus souvent chez des personnes hors des dimensions statistiques. Ces « petits occupants hors position » (OOP) ont stimulé davantage de changements évolutifs dans les mannequins. Le déploiement d'airbag soumettait les mannequins à des forces dépassant leurs capacités de conception. Des améliorations significatives de la famille de mannequins avaient eu lieu d'ici 1997 grâce aux tests d'airbag et au développement d'airbags latéraux.

Matières Premières

Le corps du mannequin de crash-test est fait de pièces métalliques en aluminium, bronze ou acier (selon design, usage et parties du corps) ainsi que de matériaux de placage métallique. Une grande variété de plastiques est aussi incorporée dans la plupart des designs, incluant Delrin (un type de résine acétate à longue usure), mousses uréthane et polyuréthane, et vinyle. La plupart des mannequins sont vêtus pour simuler la réalité, et des fournisseurs spécifiques fournissent vêtements, peinture et adhésifs pour marquer les points cibles ou de mesure critiques sur les mannequins. En fait, non seulement des fournisseurs externes sont utilisés pour de nombreux constituants, mais les agences fédérales qui approuvent les designs de mannequins dictent des fournisseurs spécifiques qui doivent être utilisés pour certains matériaux.

Les fabricants de mannequins fournissent peu ou pas d'instrumentation. Les designs prévoient de l'espace pour fixer l'instrumentation, mais celle-ci est si spécifique aux conditions réelles de test que les clients des constructeurs de mannequins installent la leur. De petits potentiomètres sont parfois intégrés aux lignes du fabricant, mais des instruments plus sophistiqués comme accéléromètres et capteurs de mesure de charge sont sélectionnés par le client depuis leurs propres packs d'instruments ou fournisseurs spécialisés.

Conception

La conception des mannequins de crash-test est un processus complexe et isolé limité aux agences gouvernementales, fabricants de mannequins, et clients comme les constructeurs automobiles. Les fabricants de mannequins ne sont pas responsables de créer leurs propres designs. Au lieu de cela, ils reçoivent des paquets de plans, ensembles de spécifications de construction, et spécifications pour les tests requis de la National Traffic Safety Administration (NTSA). Les agences européennes fournissent des ensembles de documents similaires aux fabricants. Basés sur leurs expériences dans la construction, la réparation ou la rénovation de mannequins, et l'observation de leurs traumatismes post-accident, les fabricants et utilisateurs ont une entrée dans les changements de design. La NTSA base ses designs sur une multitude de données incluant rapports d'accidents, position dans le véhicule, variations de physique et développement physique, autopsies, et simulations. Des experts en biomécanique analysent toutes les données disponibles et créent les spécifications envoyées aux fabricants.

Le Processus de Fabrication

La fabrication des mannequins de crash-test est hautement confidentielle en raison des complexités de conception et du petit nombre de fabricants qualifiés dans le monde. Toute conception et construction répond à un ensemble de normes extrêmement élevé ; il n'y a pas de mannequins de crash-test « qualité B ».

1. À la réception du paquet de plans et spécifications pour un nouveau mannequin, le fabricant détermine quelles pièces et matériaux doivent être achetés auprès de fournisseurs spécifiques, lesquels auprès d'une gamme de fournisseurs approuvés, et lesquels doivent être fabriqués en interne. Par exemple, les vêtements pour mannequins sont fournis par un fournisseur spécifique ; mais pour la mousse soutenant la peau en vinyle, la nomination de fournisseurs spécifiques est évitée, et le fabricant n'a qu'à respecter certains équivalents.
2. Les patrons et moules pour pièces métalliques à couper ou couler sont faits à partir des plans de conception, et l'outillage nécessaire est fait pour préparer la fabrication des pièces métalliques. Elles sont coulées, coupées, traitées thermiquement jusqu'à trois fois, plaquées, et usinées pour ébarber, lisser et affiner les pièces finies. Finalement, les pièces métalliques sont assemblées avec des fixations également spécifiées.
3. Les plastiques sont pareillement conçus, outillés, et moulés par injection ou autres méthodes adaptées à la pièce et au matériau. Les plastiques sont aussi usinés et assemblés ou ajustés aux pièces métalliques.
4. Après l'assemblage du corps métallique et plastique du mannequin, la peau est ajustée. Certaines peaux consistent en vinyle moulé sur le mannequin avec mousse injectée sous le vinyle pour donner une fermeté et malléabilité ressemblant à la vraie chose. D'autres peaux consistent en pièces de vinyle doublées de couches de mousse. Ces pièces peuvent être enfilées et retirées comme des vêtements. La peau qui couvre la tête est d'une seule pièce qui s'ajuste sur le crâne en aluminium. Les couleurs sont aussi très importantes pour la peau du mannequin. De nombreux clients veulent des tons chair, mais une peau avec des colorations rouges ou jaunes est parfois préférée quand le mannequin sera utilisé dans des tests filmés. Les tons jaunes et rouges facilitent la mesure précise des mouvements sur film.
5. Le mannequin est conçu avec des ouvertures pour l'instrumentation et le câblage. Celles-ci sont dans les parties plus grandes du corps incluant le crâne, le thorax, la cavité abdominale, et les cuisses. Les vêtements sont parfois ajustés aux mannequins en usine ou fournis au client pour que le mannequin puisse être habillé après l'insertion de l'instrumentation.

Contrôle Qualité

Le contrôle qualité est rigidement spécifié par la NTSA (ou autres agences) avant même que la fabrication ne soit envisagée. Les assembleurs de mannequins savent bien que leur « famille » sera sacrifiée pour la sécurité de milliers de membres du public, ils ressentent donc une responsabilité intense envers les questions de qualité. Lorsque des parties du corps sont complètes et quand le corps entier et la tête sont assemblés, le mannequin passe par une série rigoureuse de tests au laboratoire d'étalonnage, où les tests requis sont effectués et les mesures faites pour confirmer que le produit est conforme à chaque détail des plans et spécifications. Les tests incluent un test de chute de tête, test d'impact thoracique (poitrine) et étalonnage du crâne, cou, genoux, autres articulations majeures, et parfois d'autres parties des membres selon l'usage du mannequin. Selon le type de physionomie que le mannequin doit représenter, les résultats de test varieront. La masse de la tête d'un enfant, par exemple, est dramatiquement plus petite que celle d'un adulte, donc le test de chute de tête sera très différent. Un ensemble de certifications — une sorte d'acte de naissance — reste avec le mannequin tout au long de sa vie utile pour prouver ses tests d'étalonnage et pour usage dans la reconstruction, rénovation et ré-étalonnage.

Sous-produits/Déchets

Il n'y a pas de sous-produits de la fabrication de mannequins. Les déchets se limitent au métal et plastique recyclables.

Perspectives d'Avenir

Les technologies informatiques ont rendu le mannequin de crash-test adaptable aux extrêmes de l'activité humaine par des améliorations de design, méthodes de test, miniaturisation des instruments, et analyse de données. Finalement, cependant, l'ordinateur pourrait s'avérer fatal pour la famille des mannequins. Les simulations informatiques deviennent si sophistiquées qu'elles peuvent représenter les crashes automobiles, les dégâts au véhicule lui-même, et les blessures aux occupants. Les simulations attirent les constructeurs auto car elles éliminent certains, sinon tous, les tests destructifs, qui coûtent environ 750 000 $ par test. Les occupants du véhicule peuvent être examinés après impact simulé, et les détails des blessures à la tête et à la colonne surtout peuvent être analysés. Jusqu'à trois mois de temps de conception peuvent être retirés du calendrier conception-production pour un nouveau modèle de voiture, et les nouveaux designs peuvent être plus sûrs pour une gamme plus large de conducteurs et passagers de tailles différentes.

Les fabricants de mannequins, d'autre part, insistent que leurs familles sont là pour rester. Plus de modifications et complexités ainsi qu'applications technologiques ont rendu les mannequins de crash-test des baromètres fiables de la performance des véhicules. Les agences gouvernementales le reconnaissent et demandent aux fabricants de produire des mannequins et capteurs se concentrant sur des blessures très spécifiques. En 1995, ce focus s'est tourné vers les jambes inférieures, le mouvement des pieds, et les dommages aux tendons d'Achille causés par les impacts frontaux. De nouveaux capteurs ont fait ressembler les jambes du Hybrid 350 (certifié en 1997) à celles d'un homme bionique. En 1999, l'accent s'est déplacé vers les collisions par l'arrière et le développement de vertèbres à la pointe de la technologie par recherche coopérative entre agences, universités et fabricants. L'intérêt grandit aussi pour les simulants de peau qui bleusiront et s'abraderont pendant les accidents ; les données de ces développements aideront aussi les médecins à améliorer les traitements des blessures cutanées. Comme ses homologues humains, le mannequin de crash-test continue d'évoluer dans le but de sauver nos vies et nos membres.