Sự ra đời hình nộm thử nghiệm va chạm

Năm 1899, Henry Bliss trở thành người Mỹ đầu tiên bị tai nạn ô tô và tử vong ở thành phố New York. Hơn 20 triệu người đã thiệt mạng do các vụ tai nạn xe hơi kể từ đó, và con số này có thể sẽ cao hơn nếu không có sáng chế của nhà vật lý Samuel Alderson, người đã tạo ra hình nộm thử nghiệm va chạm.

Alderson sinh ra tại Cleveland, bang Ohio (Mỹ) vào ngày 21/10/1914 và lớn lên ở California. Cha của ông là chủ một cửa hàng kinh doanh bảng hiệu và sản xuất các tấm tôn kim loại theo đơn đặt hàng.

Sau khi tốt nghiệp trung học năm 15 tuổi, Alderson tiếp tục theo học không liên tục tại các trường Đại học Reed, Học viện Công nghệ California và Đại học California - Berkeley. Việc ông thường xuyên bị gián đoạn do phải giúp đỡ công việc kinh doanh của gia đình. Ông cũng đặt mục tiêu hoàn thành chương trình đào tạo tiến sĩ vật lý tại Đại học California–Berkeley dưới sự hướng dẫn của J. Robert Oppenheimer và E.O. Lawrence, nhưng đáng tiếc là ông chưa bao giờ làm xong luận án của mình.

Thay vào đó, Alderson dành thời gian phát triển động cơ điện nhỏ cho các hệ thống dẫn đường tên lửa trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ hai. Không lâu sau, ông làm việc cho công ty IBM, nơi ông thiết kế một cánh tay giả chạy bằng động cơ. Dựa trên công trình nghiên cứu này, ông đã thành lập công ty của riêng mình vào năm 1952 và nhanh chóng nhận được hợp đồng thiết kế một hình nộm có vẻ bề ngoài giống con người để kiểm tra mức độ an toàn của ghế phóng dùng trong máy bay.

Ngành công nghiệp ô tô cũng quan tâm đến một hình nộm thử nghiệm như vậy, vì số người tử vong do giao thông tiếp tục tăng lên.

Lúc bấy giờ, lĩnh vực cơ sinh học (biomechanic) vẫn còn khá mới mẻ. Giới khoa học không có dữ liệu đáng tin cậy về tác động của các lực quá mạnh lên cơ thể người một cách đột ngột, và họ cũng không có công cụ tốt đo lường những tác động này. Để khắc phục vấn đề trên, giáo sư Lawrence Patrick và cộng sự tại Trường Y khoa thuộc Đại học bang Wayne ở Detroit đã tiến hành thử nghiệm bằng cách sử dụng các tử thi, thường là những người đàn ông da trắng cao tuổi. Họ đặt máy đo gia tốc trên tử thi ngồi trên ô tô để nghiên cứu tác động của những vụ va chạm trực diện lên cơ thể.

Một số ít tình nguyện viên gan dạ bao gồm đại tá Không quân Hoa Kỳ John Stapp đã tham gia vào các thử nghiệm va chạm đối với người thật bằng cách tự buộc mình vào xe trượt hỏa tiễn (rocket sled) nhằm kiểm tra tác động của việc giảm tốc độ đột ngột đến cơ thể. Họ cũng trải qua những mô phỏng khác, chẳng hạn như bị vật nặng và mảnh kính vỡ đè vào ngực.

Do việc tiến hành các thử nghiệm trên cơ thể người khá nguy hiểm, nên nhóm nghiên cứu chuyển sang sử dụng động vật sống để thu thập dữ liệu về khả năng sống sót sau các vụ tai nạn. Lợn là loài động vật thích hợp nhất, bởi vì cấu tạo bên trong cơ thể của chúng tương tự như cấu tạo của con người và người ta có thể đặt chúng ở tư thế ngồi trên xe.

Những thử nghiệm này, trong khi vẫn còn gây nhiều tranh cãi, đã cung cấp các thông tin cần thiết để Alderson thiết kế hình nộm thử nghiệm va chạm đầu tiên, từ đó dẫn đến việc thay đổi thiết kế trên các phương tiện giao thông và khiến chúng trở nên an toàn hơn.

Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Journal of Trauma vào năm 1995, tác giả Albert King ước tính rằng kết quả của những nghiên cứu như vậy đã giúp giảm khoảng 8.500 ca tử vong mỗi năm do tai nạn xe.

Thí nghiệm của Patrick và cộng sự đóng vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển của các mô hình toán học đầu tiên nhằm mô phỏng tác động của các vụ va chạm. Tuy nhiên, những mô hình này không hoàn hảo, một phần là do họ không thể tìm thấy hai tử thi, động vật hoặc đối tượng thí nghiệm hoàn toàn giống nhau, gây khó khăn cho việc thu thập dữ liệu so sánh đáng tin cậy. Một hình nộm thử nghiệm giống con người (ATD) có thể được sản xuất hàng loạt, thử nghiệm và kiểm tra lại, sẽ khắc phục thiếu sót cơ bản này.

Đó là mục tiêu của Alderson khi ông thành lập công ty của mình. Năm 1949, ông đã sáng chế hình nộm thử nghiệm va chạm đầu tiên mang tên “Sierra Sam” để kiểm tra mức độ an toàn của ghế phóng máy bay, mũ bảo hiểm hàng không và dây an toàn cho phi công. Ghế phóng là một hệ thống được thiết kế để cứu phi công hoặc các thành viên phi hành đoàn khác trong tình huống khẩn cấp. Ở đa phần mẫu thiết kế, ghế được phóng ra khỏi máy bay nhờ một động cơ tên lửa, mang theo phi công. Khi đã ra khỏi máy bay, ghế thoát hiểm sẽ bung dù và hạ cánh an toàn xuống mặt đất.

Năm 1968, Alderson sản xuất hình nộm V.I.P với các thiết kế dùng cho thử nghiệm ô tô. Nó có khối lượng bằng một người đàn ông trưởng thành với khung sườn bằng thép, các khớp nối và cổ linh hoạt, có khoang chứa để đặt thiết bị đo.

Đầu thập niên 1970, các nhà khoa học tại công ty sản xuất ô tô General Motors đã giới thiệu hình nộm Hybrid I, kết hợp các thiết kế ban đầu của Alderson và thiết kế của đối thủ cạnh tranh Sierra Engineering. Không lâu sau đó là sự ra đời của hình nộm Hybrid II và Hybrid III vào năm 1977 với sự cải thiện tính linh hoạt của cổ cũng như khả năng xoay đầu để mô phỏng cơ thể người chính xác hơn. Chúng có thêm các cảm biến đặt tại các vị trí quan trọng trên cơ thể để đo những thông số như mô men xoắn trên cổ khi va chạm, hoặc mức độ nén ép của dây an toàn vào ngực. Hybrid II và Hybrid III dần trở thành tiêu chuẩn công nghiệp khi các hãng sản xuất ô tô muốn thử nghiệm độ bền và mức độ an toàn của các sản phẩm mới.

Các thế hệ hình nộm Hybrid ban đầu được thiết kế để thử nghiệm những vụ va chạm trực diện lên cơ thể. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã phát triển thêm nhiều mẫu hình nộm mới để đo tác động từ những tình huống va chạm khác. Chúng bao gồm hình nộm thử nghiệm va chạm mặt bên (SID) giúp mô phỏng những gì xảy ra với xương sườn, cột sống và các cơ quan nội tạng khi xe bị đâm từ hai bên hông; hình nộm BioRID giúp nghiên cứu tác động của các vụ va chạm từ phía sau; và hình nộm CRABI chủ yếu dùng để thử nghiệm tính hiệu quả của dây an toàn và túi khí đối với trẻ em.

Một trong những hình nộm thử nghiệm va chạm tiên tiến nhất hiện nay là WorldSID. Nó có khả năng thực hiện 258 phép đo riêng biệt trong một thử nghiệm va chạm duy nhất.

Không chỉ quan tâm đến việc thử nghiệm va chạm ô tô, Alderson tiếp tục phát triển các hình nộm mới dùng để đo mức độ phơi nhiễm phóng xạ, cũng như phỏng đoán những vết thương mà binh sĩ có thể gặp phải trong các bài tập huấn luyện. Điều đặc biệt là chúng có khả năng rỉ máu giống như người thật.

Theo APS Physics