충돌 테스트용 인형은 자동차 사고 시 인체에 미치는 영향을 연구하고 안전성을 평가하기 위해 사용되는 마네킹이다. 19세기 후반 자동차 사고 사망자 증가에 따라 인체에 미치는 충격을 분석할 필요성이 제기되었고, 시체, 동물 실험을 거쳐 자원자 실험, 더미 인형 개발로 이어졌다. 현재는 다양한 크기와 형태의 더미 인형이 개발되어 정면, 측면, 후방 충돌 등 다양한 상황을 모의 실험하며, 여성, 어린이, 비만인 등 다양한 체형을 반영한 인형 개발이 진행 중이다. 이러한 인형들은 차량 안전 설계를 개선하고, 사고 시 부상 위험을 줄이는 데 기여한다.
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교통 안전 - 위험물 위험물은 안전한 운송을 위해 국제적으로 규제되며, 각 기구 및 국내 법률에 따라 분류, 포장, 표시 및 운송 관련 규제를 적용한다.
교통 안전 - 주제항공위원회 주제항공위원회는 구 소련 국가들의 민간 항공 관련 조약에 따라 1991년 설립된 정부 간 기구이며, 국제 민간 항공 기구의 승인을 받아 항공 사고 조사 위원회를 운영하고 러시아 모스크바에 본부를 두고 있다.
Euro NCAP IIHS (Insurance Institute for Highway Safety)
관련 기술
모션 캡처
인체 움직임 분석
컴퓨터 시뮬레이션
충돌 시나리오 예측
2. 역사
자동차가 보급되기 시작하면서 교통 사고 역시 증가하기 시작했다. 1869년 메리 워드가 증기 자동차 사고로 사망한 것이 기록상 최초의 자동차 사고 사망 사례이며[7], 1899년에는 헨리 블리스가 북아메리카 최초의 자동차 사고 사망자로 기록되었다. 1930년대에 이르러 자동차가 대중화되면서 사망자 수는 더욱 급증했고, 당시 차량 1억 마일당 사망률은 15.6명을 넘어섰다. (현재 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 전 세계적으로 매년 약 135만 명이 도로 교통사고로 사망한다.[8])
초기 자동차는 딱딱한 금속 대시보드, 접히지 않는 스티어링 칼럼, 돌출된 각종 부품 등 안전에 매우 취약한 구조였다. 안전벨트가 없어 충돌 시 탑승자는 차량 내부에 부딪히거나 차 밖으로 튕겨 나갈 위험이 컸으며, 튼튼하기만 한 차체는 충격 에너지를 흡수하지 못하고 그대로 탑승자에게 전달했다. 이러한 상황에서 자동차 사고가 인체에 미치는 영향을 분석하고 피해를 줄이기 위한 연구의 필요성이 점차 커지게 되었다. 초기에는 인간 시체나 동물을 이용한 실험, 심지어 연구자가 직접 참여하는 자원자 실험 등이 이루어졌으나 여러 한계와 윤리적 문제에 부딪혔다. (자세한 내용은 초기 역사, 자원자 실험 참조)
본격적인 충돌 테스트용 인형, 즉 더미(dummy)는 제2차 세계 대전 중 군사적 필요에 의해 처음 개발되었다. 미국 공군이 1949년 항공기 사출 좌석 실험 등을 위해 개발한 더미 인형은 신장 180cm 크기였으며, 이후 민간의 자동차 충돌 테스트에도 활용되었다. 하지만 초기의 더미는 성인 남성을 기준으로 제작되었기 때문에, 안전 벨트 등이 여성이나 어린이에게는 잘 맞지 않는 문제가 발생했다.[56] 이러한 문제점을 해결하기 위해 점차 다양한 체격과 연령대를 모사하는 더미들이 개발되어 사용되고 있다.[51] (자세한 내용은 더미 인형의 발전 참조)
2021년 기준으로 일본의 자동차 충돌 실험에서는 주로 해외에서 수입된 더미 인형이 사용되고 있으며, 소수의 일본 자체 더미 제조업체도 존재한다.[57] 초기 더미 중 하나인 하이브리드 III는 정면 충돌 연구에 중점을 두고 개발되었기 때문에, 후방 충돌, 측면 충돌, 전복 사고 등 다른 유형의 사고가 인체에 미치는 영향을 정밀하게 측정하는 데는 한계가 있었다. 이후 이러한 단점을 보완하기 위해 측면 충돌 전용 더미 등 특정 목적에 맞춰진 다양한 더미들이 개발되었다.
2. 1. 초기 역사 (시체 및 동물 실험)
1869년 8월 31일, 메리 워드는 증기 자동차 사고로 기록된 최초의 자동차 사고 희생자가 되었다.[7]아일랜드 파슨스타운에서 발생한 이 사고에서 워드는 차에서 튕겨져 나가 목숨을 잃었다. 30년 후인 1899년 9월 13일, 헨리 블리스는 뉴욕시에서 전차에서 내리다 사고를 당해 북아메리카 최초의 자동차 사고 사망자가 되었다.
1890년대 후반 자동차가 상업적으로 생산되기 시작하고 1930년대에 이르러 자동차가 보편화되면서, 자동차 사고 사망자 수는 급격히 증가했다. 당시 사망률은 차량 운행 1억 마일당 15.6명을 넘어섰다. (현재 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 전 세계적으로 매년 약 135만 명이 도로 교통사고로 사망한다.[8]) 이에 따라 자동차 사고가 인체에 미치는 영향을 분석하고 피해를 줄이기 위한 연구의 필요성이 커졌다.
1930년대의 자동차는 딱딱한 금속 대시보드, 접히지 않는 스티어링 칼럼, 그리고 돌출된 각종 손잡이와 버튼 등으로 인해 안전에 매우 취약했다. 안전벨트도 없었기 때문에 정면 충돌 시 탑승자는 차량 내부에 부딪히거나 앞유리를 뚫고 튕겨 나갈 위험이 컸다. 차체 자체도 충격을 흡수하지 못하고 그대로 탑승자에게 전달하는 구조였다. 심지어 1950년대 후반까지도 일부 자동차 제조사들은 충돌 시 발생하는 힘이 너무 커서 사고에서 생존하는 것이 거의 불가능하다고 여겼다.
정면 충돌 테스트에 사용된 시체
본격적인 인체 충돌 연구는 미국디트로이트의 웨인 주립 대학교에서 시작되었다. 1930년대 후반까지만 해도 자동차 사고 시 인체가 받는 갑작스럽고 강력한 힘에 대한 신뢰할 만한 데이터가 부족했고, 이를 측정할 효과적인 도구도 없었다. 생체역학 분야 역시 초기 단계였다. 따라서 초기 연구에서는 두 가지 유형의 실험 대상, 즉 인간 시체와 동물이 활용되었다. 시체 실험연구자들은 고속 충돌 시 인체가 얼마나 큰 충격과 파괴력을 견딜 수 있는지 알아보기 위해 인간 시체를 사용했다. 실험 방법으로는 두개골에 강철 볼 베어링을 떨어뜨리거나, 사용하지 않는 엘리베이터 통로에서 시체를 강철판 위로 떨어뜨리는 방식 등이 동원되었다. 또한, 조잡한 가속도계를 부착한 시체를 자동차에 고정시킨 뒤 정면 충돌이나 차량 전복 실험을 진행하기도 했다.
앨버트 킹(Albert King) 박사는 1995년 ''외상 저널''에 발표한 논문 "부상 방지를 위한 시체 연구의 인도적 이점"에서 시체 연구가 생명 구조에 기여한 가치를 강조했다. 킹 박사의 계산에 따르면, 시체 연구를 통해 이루어진 자동차 설계 변경 덕분에 1987년까지 매년 약 8,500명의 생명을 구할 수 있었다.[9] 구체적으로는 안전 벨트 덕분에 매년 시체 한 구당 61명, 에어백 덕분에 147명, 개선된 앞 유리 덕분에 68명이 목숨을 건질 수 있었다고 분석했다.
그러나 시체 실험에는 여러 문제점이 따랐다. 시신을 실험에 이용하는 것에 대한 도덕적, 윤리적 논란이 있었을 뿐만 아니라, 연구 자체의 한계도 명확했다. 실험에 사용된 시신 대부분은 비폭력적인 원인으로 사망한 고령의 남성이었기 때문에, 실제 교통사고 피해자의 다양한 인구 통계적 특성을 제대로 반영하지 못했다. 사고로 사망한 사람의 시신은 이전 부상으로 인해 데이터가 왜곡될 수 있어 실험 대상으로 사용하기 어려웠다. 또한, 시신마다 상태가 다르고 특정 부위는 한 번만 실험에 사용할 수 있었기 때문에 일관되고 신뢰할 수 있는 비교 데이터를 얻기 어려웠다. 특히 아동 시신은 구하기 어려웠고 법적, 여론적 문제로 인해 사실상 실험이 불가능했다. 충돌 테스트가 보편화되면서 적합한 시신을 구하는 것 자체가 점점 더 어려워졌고, 결과적으로 수집된 생체 측정 데이터는 범위가 제한적이고 고령 남성에게 편중되는 경향을 보였다.
비만 인구의 증가에도 불구하고, 비만과 자동차 충돌 안전에 대한 연구는 상대적으로 부족했다. 이는 실험에 사용할 비만 더미를 구하기 어려웠기 때문이며, 대신 인간 시신이 사용되었다. 체중은 자동차 사고 시 중요한 변수이며, 체질량 분포도 비만인과 비만하지 않은 사람 간에 차이가 있다.[10]미시간 대학교에서 진행된 연구에서는 비만 시신이 비만하지 않은 시신에 비해 하체 부상률이 더 높다는 결과가 나왔다. 동시에 연구자들은 비만인의 지방 조직이 충격을 흡수하는 "쿠션 효과"를 일부 제공하여 특정 상황에서는 보호 효과를 나타낼 수도 있다고 제안했다.[10]
뇌 손상 연구를 위해 NDT(Neutral Density Targets, 중성 밀도 표적)를 시신 뇌 내부에 삽입하여 충돌 시 뇌와 두개골의 움직임 및 분리를 관찰하는 연구도 진행되었다. NDT는 충돌 시뮬레이션 후 뇌의 특정 영역을 정밀하게 관찰하는 데 도움을 주었다. 이러한 연구는 3세 아동의 목 부상을 측정하기 위해 개발된 유한 요소 모델(FE 모델) 구축에도 기여했다. 실제 어린이의 목 구조를 분석하여 FE 모델에 반영했으며, 인간 두부 FE 모델은 두부 손상 연구에서 점차 중요성이 커지고 있다.[11]
존 폴 스텝 대령이 에드워드 공군 기지에서 로켓 썰매를 타고 있다.
일부 연구자들은 스스로 충돌 테스트 대상이 되기도 했다. 1954년, 미국 공군 소속의 존 폴 스텝 대령은 로켓 썰매를 타고 시속 1000km/h 이상으로 가속했다가 1.4초 만에 정지하는 극한의 감속 실험을 감행했다.[12] 당시 웨인 주립 대학교 교수였던 로렌스 패트릭(Lawrence Patrick) 역시 인체가 급격한 감속에 어떻게 반응하는지 연구하기 위해 로켓 썰매를 약 400번이나 탔다. 그는 학생들과 함께 무거운 금속 추로 가슴을 맞거나, 공압 해머로 얼굴을 맞는 등의 실험에도 참여했다.[13] 패트릭은 이러한 실험이 고통스러웠음을 인정하면서도, 이를 통해 얻은 데이터가 후속 연구를 위한 수학 모델 개발에 결정적인 역할을 했다고 평가했다. 하지만 살아있는 인간을 대상으로 한 실험은 일정 수준 이상의 신체적 손상을 유발할 수 없다는 명백한 한계가 있었다. 따라서 부상과 사망의 원인을 규명하고 예방책을 마련하기 위해서는 다른 유형의 실험 대상이 필요했다. 동물 실험1950년대 중반에 이르자 시체 실험을 통해 얻을 수 있는 정보는 어느 정도 한계에 도달했다. 특히 사고 발생 시 생존 가능성을 높이는 방법에 대한 데이터가 필요했는데, 시체는 이러한 연구에 적합하지 않았다. 시체 수급의 어려움과 맞물려 연구자들은 새로운 대안을 모색하기 시작했다. 메리 로치(Mary Roach)는 ''제8회 스태프 자동차 충돌 및 현장 시연 컨퍼런스''의 풍경을 묘사하며 당시 연구 방향을 다음과 같이 전했다. "우리는 로켓 썰매를 타는 침팬지, 충격 그네에 매달린 곰을 보았고... 마취된 채 충격 그네에 앉아 약 10mph로 핸들에 부딪히는 돼지를 관찰했다."[14]
시체나 살아있는 사람을 통해서는 알 수 없었던 중요한 연구 목표 중 하나는 스티어링 칼럼 관통으로 인한 부상을 줄이는 것이었다. 1964년까지 스티어링 휠 충격으로 인한 사망자는 100만 명 이상으로 집계되었으며, 이는 전체 사고 사망자의 상당 부분을 차지했다. 1960년대 초 제너럴 모터스(General Motors)가 충격 흡수식 접이식 스티어링 칼럼을 도입하면서 관련 사망 위험은 50% 감소했다.
돼지는 내부 장기 구조가 사람과 유사하고 차량 좌석에 똑바로 앉힐 수 있다는 이유로 스티어링 휠 충격이나 기타 차량 내부 충돌 연구에 주로 사용되었다.[16] 똑바로 앉는 자세는 머리 절단과 같이 희생자에게 흔히 발생하는 치명적인 부상을 연구하는 데 필수적인 조건이었다. 또한 연구자들은 탑승자의 생존 가능성을 높이기 위해 차량 내부 디자인을 어떻게 개선해야 할지 결정해야 했다. 예를 들어, 대시보드의 패딩이 너무 적거나, 너무 단단하거나, 반대로 너무 부드러우면 머리 부상 감소 효과가 미미할 수 있었다. 손잡이, 레버, 버튼 등 차량 조작에 필수적인 부품들이 충돌 시 탑승자에게 심각한 부상을 입히지 않도록 설계하는 것도 중요한 과제였다. 백미러 역시 충돌 시 탑승자에게 부상을 입힐 수 있는 요소였기에, 제 기능을 하면서도 충돌 시 위험을 최소화하는 설계 방안을 찾아야 했다.
시체 연구가 일부 종교 단체의 반대에 부딪히기는 했지만, 죽은 사람은 고통을 느끼지 못하고 그들의 희생이 산 사람의 고통을 덜어준다는 명분 아래 마지못해 받아들여지는 분위기였다. 반면, 동물 실험은 훨씬 격렬한 반대에 직면했다. 미국 동물 학대 방지 협회(ASPCA)와 같은 동물 보호 단체들은 동물 실험에 강력히 항의했다. 로렌스 패트릭과 같은 연구자들은 신뢰할 수 있는 데이터를 얻기 위해 동물 실험이 불가피하다고 주장했지만, 실험 과정에 대한 윤리적 논란은 끊이지 않았다. 버지니아 대학교 연구자들은 시신 기증자의 가족에게 동의를 얻고 실험 목적을 설명하는 절차를 거쳤는데, 이는 동의를 구하기 어려운 동물 실험과는 대조적으로 윤리적 딜레마를 다소 완화하는 측면이 있었다.[15]
동물 실험 데이터는 시체 데이터보다 얻기 쉬웠지만, 동물과 인간 사이의 해부학적 차이와 정밀한 내부 계측의 어려움 때문에 그 유용성에는 한계가 있었다. 결국 주요 자동차 제조사들은 동물 실험을 중단하게 되었다. 제너럴 모터스는 1993년에 생체 실험을 중단했고, 다른 제조사들도 그 뒤를 따랐다.
1980년대에는 곰이나 돼지 외에도 개코원숭이가 자동차 충돌 시뮬레이션에 동원되기도 했다. 1978년 미시간 대학교 고속도로 안전 연구소는 인간 피험자를 대신하여 개코원숭이를 실험에 사용했는데, 이는 동물 학대라는 비판과 함께 개코원숭이가 인간을 대체할 만큼 충분히 유사한지에 대한 논란을 일으켰다.[16] 연구소 측은 도덕적 비판 때문이 아니라 충분한 데이터를 확보했기 때문에 개코원숭이 실험을 중단했다고 밝혔지만[16], 실험의 윤리성에 대한 논쟁은 계속되었다. 실험 대상 동물들은 마취 상태였기 때문에 고통을 느끼지 않았다고는 하지만, 그 후유증까지 고려하면 실험 자체가 정당화될 수 있는지에 대한 근본적인 의문이 제기되었다.[16]제너럴 모터스 역시 동물 실험을 진행했으며, 실험 완료 후 동물을 안락사시키는 방안을 제안하기도 했다.[17]
미시간 대학교 고속도로 안전 연구소는 이러한 논란 속에서도 인간을 위한 더 안전한 자동차 개발이라는 목표를 위해 연구와 실험이 불가피하다는 입장을 견지했다. 동물 실험의 잔혹성과 윤리적 문제에도 불구하고, 연구자들은 더 안전한 자동차 개발에 필요한 생체역학 데이터를 얻기 위해 동물 실험이 필요하다고 판단했다.[16] 그러나 시간이 지나면서 동물 실험은 점차 중단되었고, 대신 정교한 계측 장비를 갖춘 더미가 개발되어 대체재로 사용되기 시작했다. 1978년 당시에는 동물이 인간을 대체할 수 있는 유일한 실험 대상이었지만, 계측 더미나 인간 시신은 살아있는 조직이 아니기 때문에 실제 생명체와 동일한 반응을 이끌어내는 데 한계가 있었다.[16] 1991년에 이르러 컴퓨터 기술과 공학의 발전 덕분에 자동차 충돌 테스트에서 동물을 사용하는 경우는 크게 감소했다.[17] 한편, 인간의 존엄성과 권리 문제, 그리고 유족의 동의를 얻는 어려움 때문에 시신을 동물 대신 사용하는 것 역시 쉽지 않은 과제였다. 연구 및 테스트에 대한 동의는 대상자 또는 법적 대리인이 정신적으로 온전한 상태에서 관련 절차를 완전히 이해하고 동의하는 경우에만 유효하기 때문이다.[18]
2. 2. 자원자 실험
일부 연구자들은 자발적으로 충돌 테스트 인형 역할을 자처했다. 1954년, 미 공군 소속의 존 폴 스텝 대령은 로켓 썰매를 타고 시속 1000km/h 이상으로 가속한 후 1.4초 만에 정지하는 실험에 참여했다.[12] 당시 웨인 주립 대학교 교수였던 로렌스 패트릭은 인체에 급격한 감속이 미치는 영향을 시험하기 위해 로켓 썰매를 약 400번이나 탔다. 그는 학생들과 함께 무거운 금속 추에 가슴을 맞고, 공압식 회전 해머로 얼굴을 가격당했으며, 창문 파편을 시뮬레이션하기 위해 산산조각난 유리를 뿌리는 실험을 했다.[13] 패트릭은 이로 인해 "약간 아팠다"고 인정하면서도, 그와 그의 학생들이 수행한 연구가 추가 연구를 비교할 수 있는 수학 모델을 개발하는 데 매우 중요했다고 말했다.
생체 실험에서 얻은 데이터는 가치가 있었지만, 인체는 특정 수준 이상의 신체적 부상을 초래하는 실험을 견딜 수 없었다. 부상 및 사망의 원인과 예방에 대한 정보를 수집하려면 다른 종류의 실험 대상이 필요했다.
2. 3. 더미 인형의 발전
시에라 샘은 사출 좌석 테스트에 사용되었다.
저속 충돌 시험에 사용된 하이브리드 II 더미
다양한 크기로 제작되는 하이브리드 III 더미
충돌 테스트용 인형 개발은 시체 연구와 동물 연구에서 얻은 정보를 바탕으로 1949년 시작되었다. 당시 새뮤얼 W. 앨더슨(Samuel W. Alderson)은 자신의 연구소(Alderson Research Labs, ARL)와 시에라 엔지니어링(Sierra Engineering Co.)에서 항공기 사출 좌석, 항공 헬멧[21] 및 조종사 구속 장치를 테스트하기 위해 "시에라 샘"(Sierra Sam)[20]이라는 인형을 처음 만들었다. 이 테스트는 인간이 견딜 수 없는 수준인 로켓 썰매를 이용한 고가속도 환경에서 이루어졌다. 최초의 시에라 샘은 95번째 백분위수 남성(인간 남성의 95%보다 크고 무거움) 더미였다.
1950년대 초, 앨더슨과 그루먼(Grumman)은 자동차와 항공기 충돌 테스트용 더미를 함께 제작했다. 앨더슨은 이후 제너럴 모터스(General Motors, GM)와 포드(Ford)를 위해 VIP-50 시리즈를 생산했으며, 이 모델은 국립표준국에서도 채택되었다. 이에 맞서 시에라 엔지니어링은 "시에라 스탠"(Sierra Stan)이라는 경쟁 모델을 출시했다.
더미의 신뢰성과 내구성에 대한 요구가 높아지면서, 제너럴 모터스는 기존 모델들의 장점을 결합한 새로운 더미 개발에 착수했다. 1971년, VIP 시리즈와 시에라 스탠의 장점을 통합한 하이브리드 I(Hybrid I)이 탄생했다. 하이브리드 I은 키, 질량, 비율 면에서 평균적인 남성을 모델로 한 "50번째 백분위수 남성" 더미였으며, 자동차 기술자 협회(SAE)와의 협력을 통해 설계가 공유되었다.
1972년에는 어깨, 척추, 무릎 반응성이 개선되고 문서화가 강화된 하이브리드 II(Hybrid II)가 출시되었다. 하이브리드 II는 자동차의 랩 벨트 및 숄더 벨트 테스트에 대한 미국의 연방 자동차 안전 표준(FMVSS)을 준수한 최초의 더미였다. 1973년, 미국 고속도로교통안전국(NHTSA)[22]는 제너럴 모터스와 협력하여 하이브리드 II의 성능을 뛰어넘는 모델 개발에 합의했다.[23]
초기 하이브리드 모델들은 안전 벨트 설계 및 테스트에 주로 사용되었으나, 부상 감소 전략 연구에는 한계가 있었다. 이러한 필요에 따라 제너럴 모터스는 현재 널리 사용되는 하이브리드 III(Hybrid III) 패밀리를 개발했다. 하이브리드 III는 1976년 50번째 백분위수 남성 더미로 처음 등장했으며, 이후 95번째 백분위수 남성, 5번째 백분위수 여성, 그리고 10세, 6세, 3세 어린이 등 다양한 체형과 연령대를 반영한 모델들이 개발되었다.[27] 하이브리드 III는 주로 정면 충돌의 영향을 연구하도록 설계되었으며, 측면 충돌, 후방 충돌, 전복 등의 영향을 평가하는 데는 제한적이었다. 이후 측면 충돌용 더미(SID, Side Impact Dummy) 등이 개발되었다.
한편, 자동차 구매자 중 여성 비율이 증가함에도 불구하고 충돌 테스트용 인형은 오랫동안 남성 기준으로 제작되어 여성 운전자의 안전 문제를 충분히 반영하지 못한다는 지적이 제기되었다.[39] 이에 따라 2003년, 미국 고속도로교통안전국(NHTSA)은 여성 하이브리드 III를 충돌 테스트에 도입했다. 이 인형은 1970년대 중반 기준의 5번째 백분위수 여성(하위 5% 체격)을 대표하는 모델이었으나, 실제로는 남성 인형을 축소한 형태였다.[40]
여성 탑승자의 안전 연구를 위해 2002년 볼보는 찰머스 공과대학교와 협력하여 중간 크기의 임신한 여성을 나타내는 가상 충돌 테스트 인형과 평균 크기 여성의 컴퓨터 모델 개발을 선도했다.[40] 다른 자동차 회사들도 충돌을 시뮬레이션하기 위해 안전 테스트에 컴퓨터 모델을 채택했다.
2023년 5월에는 스웨덴린셰핑의 스웨덴 국립 도로 및 교통 연구소에서 세계 최초로 실제 여성의 신체적 특징을 반영한 충돌 테스트 인형이 사용되었다. 아스트리드 린더(Astrid Linder) 박사가 개발을 이끈 이 인형은 여성의 50번째 및 25번째 백분위수 신장과 체중을 반영하며, 충돌 시 여성이 남성보다 편타성 손상 등에 더 취약하다는 통계 결과를 바탕으로 제작되었다.[41][42]
최근에는 여성, 어린이뿐만 아니라 노인, 비만인 등 다양한 신체 조건을 고려한 특수 더미들이 개발되고 있다. THOR(Test device for Human Occupant Restraint)는 향상된 센서와 인간과 유사한 척추 및 골반 구조를 갖추고, 6자유도(6DOF) 운동으로 목 데이터를 정밀하게 측정할 수 있는 고성능 더미이다.[19] 더미 내부에 장착되는 측정 장비 역시 진화하여, 더욱 정확하고 생체 모방적인 데이터를 수집할 수 있게 되었다.
3. 종류
충돌 테스트용 인형은 다양한 충돌 상황과 탑승자 특성을 모사하기 위해 여러 종류로 개발되었다. 주요 목적에 따라 정면 충돌, 측면 충돌, 후방 충돌 등 특정 충돌 유형에 맞춰 설계되며, 성별, 연령, 체형(예: 어린이, 비만, 임산부)을 고려한 모델도 존재한다.
정면 충돌용 더미: 차량 전방 충돌 시 탑승자의 상해 정도를 평가하는 데 사용된다. 대표적으로 하이브리드 III와 토르(THOR)가 있다.
측면 충돌용 더미 (SID 계열): 측면 충돌 시의 영향을 측정하기 위해 설계되었다.[61] 미국 정부 표준인 '''SID'''(Side Impact Dummy), 유럽 표준인 '''EuroSID''', 작은 체구의 여성을 나타내는 '''SID II(s)''', 그리고 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발 중인 차세대 더미 '''WorldSID''' 등이 있다.[44][45]
후방 충돌용 더미 (BioRID): 후방 충돌 시 발생하는 채찍질 손상 연구에 특화된 인형이다.
어린이용 더미 (CRABI): 안전 벨트나 에어백, 어린이 보호 장구의 효과를 평가하기 위해 사용된다. 생후 6개월, 12개월, 18개월 등 다양한 연령대의 모델이 있으며, 어린이 특유의 관절 움직임을 재현하기 위해 성인용 더미와는 별도로 개발된다.[59]
비만 체형 더미 (FGOA): 비만 탑승자의 자동차 안전 문제를 연구하기 위해 개발된 최초 세대의 인형이다.[62]
임산부 더미 (Linda): 2002년 볼보에서 개발한 가상 임산부 더미로, 임신 중 충격이 자궁, 태반, 태아에 미치는 영향을 분석하는 데 사용된다.[46]
동물 모델: 동물 안전 연구(예: 충돌 시 개 하네스 안전성 테스트)를 위한 동물 형태의 더미도 존재한다.[47][60]
충돌 테스트용 인형의 가격은 제조사나 모델의 정교함에 따라 크게 다르다. 기본적인 모델도 수천만 원에서 수억 원에 달하는 경우가 많으며[58], 인형의 내구성 역시 테스트의 종류와 강도에 따라 달라진다.
3. 1. 정면 충돌용
정면 충돌의 영향을 연구하기 위해 특수하게 설계된 대표적인 충돌 테스트용 인형으로는 하이브리드 III(Hybrid III)와 토르(THOR)가 있다. 이 인형들은 측면 충돌, 후방 충돌, 차량 전복과 같은 다른 유형의 충돌 영향을 평가하는 데는 상대적으로 덜 유용하다.
=== 하이브리드 III (Hybrid III) ===
하이브리드 III는 제너럴 모터스가 개발하여 1976년에 처음 등장한 50번째 백분위수 남성 더미를 시작으로[23], 현재는 다양한 체격과 연령대를 대표하는 모델군을 갖추고 있다. 기본 모델인 50번째 백분위수 남성 하이브리드 III는 키 175cm, 몸무게 77kg이며[26], 미국 고속도로 안전 보험 협회(IIHS)의 65 km/h 정면 오프셋 충돌 테스트 등에서 운전석에 사용된다.[24]
하이브리드 III 제품군에는 다음과 같은 모델들이 포함된다.
95번째 백분위수 남성: 키 188cm, 몸무게 100kg.[25]
5번째 백분위수 여성: 키 152cm, 몸무게 50kg.[25]
어린이 더미: 10세, 6세(21kg), 3세(15kg) 모델이 있다.[26] 어린이 모델은 실제 사고 데이터 부족으로 인해 추정과 근사에 기반하여 제작된 부분이 있다.
하이브리드 III의 주요 장점은 실제 사람과 유사하게 목의 앞 굽힘(굴곡)과 머리 회전을 모사하여 목 반응성을 향상시킨 점이다.[26] 이를 통해 정면 충돌 시 탑승자의 목 상해 가능성을 더 정확하게 평가할 수 있다.
=== 토르 (THOR) ===
THOR-50M(남성)과 THOR-5F(여성) 충돌 테스트용 인형
토르(THOR, Test device for Human Occupant Restraint)는 하이브리드 III의 기능을 확장하고 개선하기 위해 개발된 첨단 정면 충돌 테스트용 인형이다.[28] 현재 사용되는 충돌 테스트용 인형 중 가장 발전된 모델 중 하나로 평가받는다.[19]
토르의 주요 특징은 다음과 같다.
향상된 인체 모사: 하이브리드 III보다 더 인간과 유사한 척추와 골반 구조를 가지고 있다.[19]
정교한 센서: 얼굴을 포함하여 몸 전체에 150개 이상의 데이터 수집 채널을 탑재할 수 있어[33], 하이브리드 III보다 더 많은 양의 데이터를 더 높은 민감도로 측정할 수 있다.[19] 특히 얼굴 부위 센서는 기존 더미로는 분석하기 어려웠던 안면 충격을 정밀하게 분석할 수 있게 해준다.[19]
6자유도(6DOF) 목 데이터: 6자유도 운동 측정을 통해 충돌 시 목의 복잡한 움직임 데이터를 정밀하게 포착할 수 있다.[19]
토르 개발은 1990년대에 시작되었으며, 미국 도로교통안전국(NHTSA)과 휴머네틱스(Humanetics)의 협력을 통해 2013년 새로운 프로토타입이 등장했다.[29] 이후 유럽 신차 평가 프로그램(Euro NCAP)은 운전석 테스트에서 기존의 하이브리드 III 중간 크기 남성 더미를 토르로 대체하여 공식 테스트 프로토콜에 도입했다.[30]
토르 역시 다양한 모델이 개발되고 있으며, 표준 남성 모델인 THOR-50M 외에도 여성의 인체 측정 데이터를 반영한 소형 여성 모델(THOR-5F) 등이 있다.[31] 이는 여성 탑승자의 부상 위험을 더 정확히 평가하고 보호 성능을 개선하기 위한 노력의 일환이다.[32]
3. 2. 측면 충돌용
WorldSID는 EuroNCAP 측면 충돌 테스트 모드에 사용되는 고급 측면 충돌 ATD입니다.
'''SID''' (Side Impact Dummy): 측면 충돌 시 갈비뼈, 척추, 내부 장기에 가해지는 충격을 측정하기 위해 설계된 더미이다.[61] 척추와 갈비뼈의 감속 및 가슴 압축 정도를 평가하는 데에도 사용된다. SID는 미국 정부의 테스트 표준이다.
'''EuroSID''': 유럽에서 안전 표준 준수를 위해 사용되는 측면 충돌용 더미이다.
'''SID II(s)''': 5번째 백분위수 여성, 즉 작은 체구의 여성을 기준으로 만들어진 더미이다.
'''BioSID''': SID 및 EuroSID보다 더 정교하게 만들어졌지만, 규제 목적으로는 사용되지 않는다.
'''WorldSID''': 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발 중인 차세대 측면 충돌 더미이다.[44][45]
3. 3. 후방 충돌용
'''BioRID'''는 후방 충돌의 영향을 평가하기 위해 설계된 인형이다. 주요 목적은 채찍질 손상을 연구하고, 설계자들이 효과적인 머리와 목 고정 장치를 개발하는 데 도움을 주는 것이다. BioRID는 기존의 Hybrid III 인형보다 척추 구조가 더 정교하게 만들어졌는데, 24개의 척추 시뮬레이터를 통해 실제 사람과 더 유사한 착석 자세를 취할 수 있다. 이를 통해 후방 충돌 시 나타나는 목의 움직임과 형태 변화를 더 정확하게 보여줄 수 있다.
3. 4. 어린이용
'''CRABI'''는 안전 벨트와 에어백을 포함한 어린이 안전 장치의 효과를 평가하는 데 사용되는 어린이 인형이다. CRABI에는 생후 18개월, 12개월, 6개월 어린이 모델이 있다.
12개월 CRABI 인형이 어린이 안전 고정 시트에 앉아 있다.
3. 5. 기타
'''FGOA''' (first generation obese anthropometric): 비만 체형의 인간을 본뜬 더미 인형이다.[62] 자동차 충돌 시 비만 탑승자는 비만하지 않은 탑승자에 비해 사망 위험이 더 높은 것으로 알려져 있는데,[10] FGOA는 이러한 비만 탑승자의 자동차 안전 문제를 연구하기 위해 개발된 최초 세대의 비만 인체 측정 테스트 장치이다.
'''WIAMan''' (Warrior Injury Assessment Manikin): 미국 육군 전사 부상 평가 마네킹(WIAMan) WIAMan은 차량 하부 폭발(Under Belly Blast, UBB) 시 군인이 입을 수 있는 잠재적 골격 부상을 평가하기 위해 설계된 폭발 시험용 더미이다.[34]미국 육군과 다변화 기술 시스템(DTS)이 공동으로 개발했으며, 인체 모형 시험 장치와 더미 내부 데이터 수집 및 센서 솔루션을 포함한다.[34] 이 프로젝트는 군용 차량 및 개인 보호 장비의 설계를 개선하기 위한 데이터 획득을 목표로 한다.[34] 기존의 자동차 산업용 시험 더미는 폭발 상황에서 실제 인간과 동일한 반응을 보이지 않았기 때문에[36], 미 육군은 인간의 신체와 유사하게 움직이는 '생체 충실도(biofidelity)'를 갖춘 더미 개발에 집중했다. WIAMan은 평균적인 군인의 크기(키 약 1.52m, 체중 약 83.91kg)와 움직임을 기반으로 설계되었다.[34] 미국 육군 연구소와 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소의 협력으로 2017년 생체 충실도 테스트가 완료되었으며, 이는 실제 폭발 테스트 중 차량 탑승자의 특정 부상 위험을 예측하는 데 기여했다.[34] WIAMan은 최대 156개의 데이터 수집 채널을 통해 힘, 모멘트, 가속도, 각속도 등 다양한 데이터를 측정하며,[37] 자체 내장 전원과 SLICE NANO 아키텍처를 기반으로 하는 세계 최소형 데이터 수집 시스템인 [https://www.dtsweb.com/slice6-daq/ SLICE6]를 탑재하여, 기존 더미에서 흔히 볼 수 있었던 거대한 외부 센서 케이블 연결 문제를 해결했다.[37] 수집된 데이터는 AMANDA(Analysis of Manikin Data)라는 소프트웨어 분석 도구를 통해 처리되며, 이 도구는 2022년 2월 미국 육군 시험 평가 사령부로부터 실사격 테스트 및 평가 사용 인증을 받았다.[38]
4. 테스트 절차
하이브리드 III 더미 교정 작업
모든 하이브리드 III 더미는 충돌 테스트 전에 교정을 거친다. 우선 머리를 분리하여 40cm 높이에서 떨어뜨려 머리 계측 장비를 교정한다. 이후 머리와 목을 다시 연결하고 움직이다가 갑자기 멈추어 목의 굽힘(굴곡)이 제대로 이루어지는지 확인한다. 더미는 샤무아 가죽으로 된 피부를 입히고, 금속 탐침(프로브)으로 무릎을 쳐서 관통 테스트를 진행한다. 마지막으로 머리와 목을 몸통에 부착하고, 몸통을 시험대에 고정한 뒤 무거운 추로 가슴을 강하게 쳐서 갈비뼈가 실제 사람처럼 휘어지는지 확인한다.
더미가 시험 준비 상태로 확인되면, 추후 슬로 모션필름 분석을 돕기 위해 머리 옆에 교정 표시를 부착한다. 이후 더미를 시험할 차량 내부에 배치하고 좌석 위치를 조정한 뒤, 머리와 무릎에 표시를 한다. 머리부터 발목까지 더미의 각 부분에 위치한 최대 58개의 데이터 채널(센서)은 보통 100~150밀리초(ms) 동안의 충돌에서 30,000개에서 35,000개에 달하는 데이터를 기록한다. 이 데이터는 더미의 가슴 부분에 있는 임시 데이터 저장 장치에 기록되었다가, 시험이 끝나면 컴퓨터로 옮겨져 분석된다.
하이브리드 III 더미는 표준화된 부품으로 만들어지기 때문에, 특정 유형의 더미 부품은 서로 교환하여 사용할 수 있다. 하나의 더미로 여러 번의 테스트를 진행할 수 있으며, 특정 부품이 손상되면 새 부품으로 교체하는 것이 가능하다. 모든 센서가 장착된 더미 하나의 가격은 약 15만유로에 달한다.[43]
5. 한국의 현황 및 과제
2021년 기준으로 한국의 자동차 충돌 실험에서는 주로 해외에서 수입한 더미 인형이 사용되고 있다. 일본과 유사하게[57] 국내 더미 인형 제조업체도 소수 존재하지만, 아직 기술 개발과 시장 경쟁력 확보가 필요한 상황이다.
충돌 테스트용 인형은 과거 남성 표준 체형 위주로 개발되어[56] 여성이나 다양한 체형의 안전을 충분히 반영하지 못한다는 지적이 있었다.[39] 미국 고속도로교통안전국(NHTSA)은 2003년에 여성 더미(Hybrid III 5th percentile female)를 도입했지만, 이는 당시 기준으로 평균적인 여성을 대표하기보다는 작은 체구의 여성을 기준으로 한 것이었다.[40] 이후 볼보와 찰머스 공과대학교는 임신한 여성이나 평균 체형 여성의 컴퓨터 모델을 개발하기도 했으며,[40] 2023년에는 스웨덴에서 실제 여성의 신체 데이터를 기반으로 한 충돌 테스트용 인형이 개발되어 사용되기 시작했다.[41] 이는 충돌 시 여성이 남성보다 편타 손상과 같은 특정 부상에 더 취약하다는 통계[42]에 기반한 것이다.
한국에서도 여성 운전자 비율이 꾸준히 증가하고 있는 현실을 고려할 때, 여성의 신체적 특성을 정확히 반영한 더미 인형의 개발과 이를 활용한 안전 기준 강화는 중요한 과제이다. 또한 어린이, 노인, 다양한 체중의 사람들까지 포괄할 수 있는 더미 인형 개발을 통해 모든 탑승자의 안전을 확보하고 교통사고 시 피해를 최소화하기 위한 노력이 요구된다. 이는 자동차 안전 기술의 사각지대를 해소하고 보다 평등하고 안전한 교통 환경을 만드는 데 기여할 것이다.
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