Разработка и оптимизация биомеханической модели, ориентированной на женщин, для анализа био­динамической реакции: сравнение с мужскими биомеханическими моделями

Почему повседневные вибрации важны

Каждый, кто проводит много часов за рулем грузовика, управляет тяжелой техникой или ездит по бездорожью, знает, как тело дрожит и трясется. Эти вибрации — не просто раздражение: они способствуют болям в спине, утомлению и долгосрочным проблемам со здоровьем. При этом большинство стандартов безопасности и конструкций сидений основаны на измерениях, сделанных на мужчинах. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: реагируют ли тела женщин на вибрацию так же, или нужны модели, разработанные с нуля с учетом женской анатомии?

Новый взгляд на сидящее женское тело

Исследователи поставили задачу создать подробную механическую «замену» женского тела, сосредоточившись на человеке, сидящем прямо на сиденье, которое колеблется вверх и вниз. Вместо прямых испытаний на людях — дорогих и неудобных — они создали «собирательную» модель, разделяющую тело на десять основных частей: голова, грудная клетка, живот, таз и сегменты обоих рук и кистей. Каждая часть рассматривается как небольшой груз, соединенный пружинами и демпферами, что позволяет учесть, как ткань, кость и суставы сглаживают и гасят вибрации. Модель концентрируется на вертикальном движении — направлении, наиболее ответственном за дискомфорт и риск для здоровья в транспорте — при сознательном исключении боковых и продольных колебаний для упрощения задачи.

Как реальные данные тела превращают в рабочую модель

Чтобы сделать виртуальную женщину реалистичной, команда опиралась на массу и упругость каждого сегмента тела, основанные на данных средних взрослых женщин, а не на простом уменьшении мужских фигур. Предыдущие исследования показали, что у женщин обычно ниже общая масса тела, больше демпфирования мягких тканей и иное распределение жира и мышц по сравнению с мужчинами. Эти особенности меняют путь распространения вибраций от сиденья к голове. Авторы использовали измерения из контролируемых лабораторных экспериментов, где женщины сидели на вибрирующих сиденьях, а приборы отслеживали, сколько движения доходило до головы и какую силу передавал таз. Затем модель настраивали так, чтобы три ключевых показателя — сила передачи вибрации к голове, сопротивление тела движению у сиденья и «видимая масса», ощущаемая у основания — совпадали с реальными данными в широком диапазоне низких частот.

Светлячки, алгоритмы и лучшие подстройки

Тонкая настройка такой сложной модели вручную была бы почти невозможна, поэтому команда использовала компьютерный метод, вдохновленный миганием светлячков. В этой оптимизационной технике каждый «светлячок» представляет собой отдельную гипотезу о механических параметрах тела. Ярче светлячки обозначают гипотезы, лучше соответствующие экспериментальным результатам, а более тусклые со временем «двигаются» к ним через множество итераций. С помощью этой методики внутренние пружины и демпферы модели постепенно корректировались, пока смоделированные отклики почти не совпали с измерениями. Лучшая версия женской модели в целом соответствовала экспериментальным кривым примерно на 97%, что немного превосходило несколько известных моделей, основанных на мужских данных, при проверке на том же типе данных.

Как тела женщин реагируют по‑другому

Окончательное сравнение новой женской модели с существующими мужскими моделями выявило устойчивые различия. При одинаковом движении сиденья тело женщин, как правило, передавало больше вибрации к голове, но демонстрировало меньшие пиковые силы в районе сиденья, что отражает их отличия в составе тканей и строении костей. Модель также предсказывала немного более низкие собственные частоты колебаний женского тела, то есть их наиболее чувствительная «зона» колебаний находится на несколько более низких частотах, чем у мужчин. Эти закономерности помогают объяснить, почему женщины могут чаще жаловаться на дискомфорт или утомление в определенных условиях вождения, даже если транспортное средство одно и то же.

Проектирование более безопасных и комфортных сидений

Проще говоря, исследование показывает: женщины не просто уменьшенные копии мужчин, когда речь идет о распространении вибраций по телу. Тщательно разработанная модель, ориентированная на женщин, может точнее предсказать их реакцию на вибрацию, чем мужские модели, лишь масштабированные по размерам. Это важно для проектирования автомобильных и тракторных сидений, установления пределов вибрации на рабочих местах и даже для создания краш‑тестовых манекенов, имитирующих реальных людей. Признавая и моделируя эти половые различия, инженеры и исследователи в области здравоохранения смогут двигаться к созданию транспортных средств и рабочих пространств, которые лучше защищают комфорт и долгосрочное здоровье как женщин, так и мужчин.

Цитирование: Guruguntla, V., Yuvaraju, B.A.G., Rao, T.S.S.B. et al. Development and optimization of a female-specific Biomechanical model for biodynamic response analysis: a comparison with male biomechanical models. Sci Rep 16, 5987 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36165-2

Ключевые слова: вибрация всего тела, женская биомеханика, эргономичный дизайн сидений, комфорт при езде в транспортном средстве, биодинамическое моделирование