利用仿真来确定单安全气囊比多安全气囊系统更安全、更可靠

让轮椅使用者重新站起来

数以百万计的人因疾病或受伤只能坐在轮椅上。尽管轮椅技术取得了一定进步，但自发明以来缺乏重大进展，在为个人提供站立和行走能力方面仍存在不足之处。首先，与周围的人处于不同的高度是一个社交方面。再者，长时间坐轮椅会引发健康问题，例如骨密度降低、骨质疏松症、肌肉萎缩、压疮、痉挛、血压变化、关节问题乃至心血管疾病。

尼古拉斯·西蒙 (Nicolas Simon) 的某些家庭成员患有腓骨肌萎缩症，这是一种
退行性疾病，患者到了晚期通常需要使用轮椅。

由于目前尚无已知的治疗方法，西蒙希望能够提供一种替代方案。因此，在 2012 年，他创立了 Wandercraft，主营外骨骼开发，旨在让腰部以下瘫痪的人士能够再次行走。

该公司已成功在医院康复环境中构建并实施了 Atalante X，但该公司希望将这一愿景扩展到医疗保健之外的场景中。“我们希望给予人们更多的自主权，能够在现实世界中使用这些外骨骼，而不仅仅是在受医生或物理治疗师控制的环境中，”Wandercraft 首席技术官 (CTO) 法比安·埃克斯佩 (Fabien Expert) 如是说。“仅在美国，据我们估计，可以从当前形式的外骨骼中受益的脊髓损伤患者数量就高达 300,000 名。随着我们在未来版本中不断调整设计，我们希望使其扩展到其他病理、中风康复和多发性硬化症场景中，让其为更多人造福”。

为了实现这一目标，Wandercraft 采用了 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter™ Madymo™ 软件。Simcenter Madymo 主要为汽车行业而开发，用于更快地开发更好的乘员和行人安全解决方案。Simcenter Madymo 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。

降低进一步受伤的风险

将装置推向大街小巷是一大步。“毋庸置疑，安全至关重要，”埃克斯佩解释道。“我们所要帮助的群体可以自己坐在轮椅上四处走动。外骨骼让他们能够站立和行走，但我们需要降低进一步受伤的风险。例如，如果他们跌倒，遭受骨折或头部受伤，这将使他们的处境雪上加霜”。

由于外骨骼经实践证明可以提供功能性辅助，Wandercraft 需要对其进行调整，使其起到保护使用者的作用，这样患者就不必担心会发生可能导致其他长期伤害的意外事故了。

个人安全气囊系统

Wandercraft 的灵感来自车辆中使用的安全气囊，因为安全气囊的作用就是缓冲对人类的冲击并尽量减少伤害。该外骨骼设计将系统的质心放在背部，因此如果发生供电中断或者身体失衡的情况，使用者会自然向后倒下。这意味着他们可以将安全气囊安装在背部以保护使用者。

然而，确保安全气囊的有效性需要大量的分析与评估。它需要能够易于添加到外骨骼中而不会给使用者带来负担，但也需要提供足够的保护，以显着降低跌倒时受伤的风险。

“我们首先必须了解它是否可行，”埃克斯佩说道。“我们必须能够检测到跌倒，然后在半秒内展开安全气囊。重点要确定是多个安全气囊更好还是只有一个安全气囊更好，然后再确定正确的尺寸，让气囊既能够提供足够的保护，又不会给外骨骼增加太多重量”。

构建物理原型来对其进行测试原本是一个非常耗时的过程，因为每个安全气囊都必须手工制作。使用物理假人也不会提供有关对使用者潜在伤害的完整数据。Wandercraft 需要一种更快的解决方案，可以完全复刻人体并预测在跌倒时安全气囊对人体的保护效果。

将 FEA 与多体仿真相结合

一开始，Wandercraft 使用的是有限元分析 (FEA) 仿真工具，但这并不足以提供他们需要的数据。“我们过去无法对患者进行准确的建模，了解可能会产生哪些伤害，”机械工程主管 马克西姆·贝克 (Maxime Beck) 解释说。“我们有另一个多体仿真工具，但我们需要一个将两者结合起来的解决方案”。

为了帮助这些人，Wandercraft 联系了斯特拉斯堡大学。“这所大学向我们介绍了 Simcenter Madymo，”贝克说道。“我们可以测量加速度和角速度，但我们不知道如何将其用于预测对患者的影响”。斯特拉斯堡大学向我们展示了如何使用 Simcenter Madymo 创建仿真，并使用其人体模型来测量对使用者的影响。

“Simcenter Madymo 已实际用于车辆安全仿真，这带来了切实的帮助，因为它提供了很多有关安全气囊合理运行的模型。借助 Simcenter Madymo，我们能够将仿真结果与物理测试结果相匹配，这给了我们继续推进的信心。我们后续可以在每次迭代中进行优化，而不必在每次更改设计时都创建新的原型”。

简化设计并缩短开发时间

仿真最重要的结果之一就是确定应该使用多少个安全气囊，这主要是为了尽可能提高安全性，但也是为了使该装置能够获得尽可能高的成本效益。“仿真让我们能够对多个安全气囊进行试验，但我们发现这并没有为使用者增加任何额外的保护，”贝克说道，“每个安全气囊都有各自的气体和触发机制，因此气囊越多，设置就越复杂。了解到
一个大安全气囊与两到三个小安全气囊所提供的保护一样多后，就意味着我们可以降低复杂性，使整个装置的制造更容易、成本更低”。

事实上，只有一个安全气囊不仅更具成本效益，还更加安全。多安全气囊系统需要每个安全气囊都在正确的时刻触发才会发挥作用。一旦跌倒，就相当于根本没有保护。系统越复杂，失败的可能性就越大。由于只有一个安全气囊和一个触发器，系统的可靠性立即
提高了不少。

埃克斯佩表示，使用 Simcenter Madymo 还节省了大量的工程开发时间：“物理原型每次都需要一名工程师花费三天时间才能完成。这是一个非常独特的过程，我们中间只有一个人具备必要的技能。如果没有仿真，我们就必须在每次迭代之间花费很长时间来测试我们的理论。达到理想设计需要花费大量时间，甚至这个理想设计可能根本
不实际”。

“原型构建完成后，还需要一整天的时间来搭建测试，但我们仅需短短几个小时即可使用我们想要的任何参数来配置仿真”。

法规、改进与新功能

现在，Wandercraft 对其外骨骼的安全性充满了信心，该公司正在开展进一步的测试以满足必要的法规要求。“我们希望在 2025 年底之前获得全面的法规许可，”埃克斯佩说道。“之后，我们就能把它推向市场，我们将看到人们在日常生活中使用我们的外骨骼”。

但这仅仅是个开端。得益于仿真，首台装置得以成功研发，Wandercraft 将继续利用仿真来改进未来的产品。“我们已经实现了初步的目标，让患者脱离轮椅，”埃克斯佩说道。“但我们的目标是给他们提供更多自由。我们深知，患者一旦开始体验到之前未曾有过的自由后，他们就会渴望拥有更多的自由，无论是他们受伤后长期丧失的自由，还是因出生时患有某种疾病而未曾拥有过的自由，都是如此。我们打算开发其他功能来满足
这一需求”。“多亏了 Simcenter Madymo，让我们始终能够确保
具备这些新功能的装置可保证使用者的安全”。