Valutazione dell’affidabilità di sistemi airbag indossabili mediante modellazione computazionale dell’interazione dispositivo–segmenti corporei

Il trauma cranico rappresenta una delle principali cause di disabilità e mortalità a livello globale, con un’incidenza crescente legata alla micro-mobilità urbana e alle cadute accidentali. Sebbene i sistemi di protezione passiva tradizionali, come i caschi rigidi, offrano una protezione consolidata, essi presentano limiti in termini di comfort e una rigidezza strutturale che non sempre ottimizza la dissipazione energetica. Il presente lavoro di tesi valuta l'efficacia protettiva di sistemi airbag indossabili attraverso lo sviluppo e la validazione di un modello numerico avanzato agli elementi finiti (FEM) in ambiente Abaqus/Explicit. La ricerca si è basata su una modellazione anatomica completa del distretto testa-collo, che include la definizione geometrica e strutturale dei tessuti molli extracranici (modellati come un unico comparto comprendente pelle, muscoli e tessuto adiposo), scatola cranica, encefalo e liquido cerebrospinale, oltre alla colonna cervicale comprendente vertebre e dischi intervertebrali. Il processo di sviluppo ha richiesto una gestione accurata di molteplici aspetti tecnici: dalla caratterizzazione iperelastica dei tessuti (secondo il modello di Neo-Hooke) all'applicazione dello smorzamento di Rayleigh per stabilizzare la risposta dinamica dei componenti principali. Particolare attenzione è stata dedicata alla definizione delle interazioni di contatto e delle strategie di gonfiaggio dell'airbag, basate su carichi di pressione distribuiti, per garantire un assorbimento d'urto ottimale e prevenire il contatto diretto tra il blocco impattante e il cranio. Un passaggio fondamentale del lavoro ha riguardato la transizione dai vincoli di accoppiamento rigido a formulazioni di contatto globale, soluzione che ha permesso di riprodurre fedelmente il ritardo inerziale del cervello e il suo scivolamento all'interno del cranio, risolvendo al contempo le problematiche di compenetrazione dei nodi tipiche degli impatti ad alta velocità. Le simulazioni sono state condotte confrontando uno scenario di riferimento non protetto con diverse configurazioni di sicurezza. Una volta validato, il modello è stato testato in condizioni di severità raddoppiata per analizzare la risposta del sistema in situazioni critiche e valutare i limiti di schiacciamento massimo del dispositivo. I risultati ottenuti evidenziano una drastica riduzione delle accelerazioni lineari e un abbattimento significativo dei criteri di lesione (HIC). L’analisi delle pressioni intracraniche e degli stress di taglio ha confermato che l'airbag, distribuendo il carico nello spazio e nel tempo, riduce sensibilmente il rischio di lesioni sia focali che diffuse. In conclusione, il modello sviluppato si è dimostrato uno strumento predittivo robusto per l'ottimizzazione dei futuri dispositivi di protezione individuale, aprendo la strada a nuove strategie di progettazione basate sulla calibrazione della pressione di gonfiaggio in funzione della dinamica d'urto prevista.