2025年伤害生物力学仿真技术：为下一时代转变安全工程和人体建模。发现先进的仿真如何重塑伤害预测、法规遵循和产品创新。
- 执行摘要与关键发现
- 市场规模、增长预测和投资趋势（2025–2030）
- 核心技术：有限元分析、多体动力学和人工智能集成
- 行业领先者与近期创新
- 应用：汽车、体育、军事和医疗器械领域
- 监管环境和标准（如NHTSA、ISO、SAE）
- 案例研究：现实影响与验证
- 新兴趋势：数字双胞胎、个性化生物力学和云仿真
- 挑战：数据质量、模型验证和伦理考虑
- 未来展望：下一代仿真、市场机会和战略建议
- 来源与参考资料
执行摘要与关键发现
到2025年，伤害生物力学仿真技术正迅速改变安全工程、医学研究和产品开发的格局。这些技术利用先进的计算模型、高保真的人体替代品和实时数据分析，预测、分析和缓解汽车、体育、国防和医疗保健领域的伤害风险。当前市场的特点是数字人建模、有限元分析（FEA）和人工智能（AI）驱动仿真平台的融合，使伤害预测和预防的准确性和效率达到了前所未有的水平。
关键行业领导者如HBM Prenscia（通过其nCode和ReliaSoft品牌）、Humanetics Group和DSM处于前沿，为生物力学测试提供仿真软件、物理和数字人体替代品（撞击测试假人和数字双胞胎）和先进材料。特别是Humanetics Group扩展了其产品组合，包含传感器化的人体模型（ATDs）和数字人模型，支持汽车和航空航天客户的物理和虚拟撞击测试。同时，HBM Prenscia继续增强其仿真平台的机器学习能力，使伤害风险评估更快、更准确。
近年来，虚拟测试环境的采用急剧增加，得益于监管政策的变化和对高效、灵活安全验证的需求。例如，汽车行业愈发依赖数字双胞胎和虚拟碰撞仿真，以遵守不断变化的安全标准，加速车辆开发周期。AI和机器学习算法的融合进一步提升了这些仿真的预测能力，使实时伤害风险分析和适应性安全系统设计成为可能。
行业来源的数据表明，全球对伤害生物力学仿真的需求将在未来几年来以双位数的复合年增长率（CAGR）增长，受到计算能力、传感器技术的进步和连接设备的普及的推动。2025年及以后的展望指向仿真技术与现实世界数据流（如遥测和可穿戴传感器）的更深层次整合，从而不断改善伤害预测模型和个性化安全解决方案。
- 广泛采用数字人模型和AI驱动的仿真平台。
- 传感器化ATDs和数字双胞胎的扩展，支持实体和虚拟测试。
- 监管和行业日益强调虚拟验证和预测安全分析。
- 主要参与者：Humanetics Group、HBM Prenscia、DSM。
- 展望：持续的创新、与现实数据的整合，以及向新应用领域的拓展。
市场规模、增长预测和投资趋势（2025–2030）
2025年至2030年，伤害生物力学仿真技术的全球市场正处于强劲增长之中，驱动因素是汽车、体育、国防和医疗保健领域对先进安全解决方案的日益需求。随着监管机构和制造商优先考虑乘员安全和伤害预防，数字人体模型、高保真的撞击仿真软件和集成传感器技术的采用正在加速增长。
关键行业参与者如DSM、Humanetics Group和Altair Engineering正在大力投资于研发，以提高仿真平台的准确性和可扩展性。作为全球领先的撞击测试假人和数字人体模型制造商，Humanetics Group继续扩展其产品组合，推出先进的传感器装备的人体模式和虚拟仿真工具，支持实体和数字撞击测试。Altair Engineering因其以仿真驱动的设计软件而受到认可，广泛用于汽车和航空航天应用中的伤害预测和缓解。
汽车行业仍然是最大终端用户，原始设备制造商（OEM）和供应商将伤害生物力学仿真整合到车辆设计和验证过程中，以遵守不断演变的安全标准。朝向自动驾驶和电动出行的推动，进一步加大了对能够建模复杂撞击情景和乘员反应的先进仿真工具的需求。以高性能材料和仿真专长著称的DSM，与汽车制造商合作，利用先进的生物力学建模来优化安全组件。
投资趋势表明，专注于AI驱动仿真、实时数据分析和基于云平台的初创公司和技术提供商的融资激增。仿真软件开发者与传感器制造商之间的战略合作伙伴关系也在增加，旨在创建整合虚拟和物理测试环境的解决方案。例如，Humanetics Group已与传感器技术公司建立了联盟，以增强数据收集和伤害预测能力。
展望2030年，市场前景依旧积极，预计年均双位数增长率将随着仿真技术的不可或缺性增强，这对法规遵从、产品创新和风险降低至关重要。仿真应用的扩展到运动伤害预防、军事训练及个性化医疗预计将进一步多样化收入来源，吸引新的投资。随着数字双胞胎和AI驱动建模的成熟，伤害生物力学仿真行业将在塑造未来安全工程和人类健康方面发挥关键作用。
核心技术：有限元分析、多体动力学和AI集成
伤害生物力学仿真技术正在迅速发展，推动其进步的是有限元分析（FEA）、多体动力学（MBD）和人工智能（AI）等核心计算方法的集成。这些技术是理解和预测汽车、体育、军事和医疗应用中人类伤害机制的基础。到2025年，这些方法的融合将使得仿真变得更加准确、高效和个性化，对安全设计和法规遵从产生重大影响。
有限元分析仍然是伤害生物力学仿真的基础。FEA能够详细建模人体解剖和材料特性，使研究人员和工程师能够模拟在各种加载条件下的组织变形、骨折和器官反应。领导的软件供应商，如ANSYS和达索系统（其SIMULIA/ABAQUS套件）继续增强其生物忠实建模的求解器，支持高分辨率网格和为生物组织量身定制的高级材料模型。这些平台被汽车OEM和研究机构广泛采用于撞击安全性研究和虚拟人体模型的开发。
多体动力学补充FEA，通过模拟整体身体运动和刚性或柔性物体之间的相互作用。这种方法在分析全身运动、关节负荷和撞击情景中的约束系统效应时特别有价值。像MSC Software（现在是Hexagon的一部分）这样的公司提供如Adams的MBD解决方案，这些解决方案常与FEA工具集成，提供对伤害机制的全面视图。2025年的趋势是朝向协同仿真框架，其中MBD和FEA同时运行，允许全局运动与局部组织反应之间的实时反馈。
人工智能正越来越多地融入伤害生物力学仿真工作流程。AI和机器学习算法用于加速模型生成、自动化参数优化和解释大型仿真数据集。例如，Altair正在其仿真平台中整合AI驱动的设计探索和替代建模，允许更快的迭代和改善预测准确性。AI还促进了个性化人模型的创建，利用医学影像数据，这一做法在未来几年内预计将成为标准实践。
展望未来，伤害生物力学仿真技术的发展将体现在更大的互操作性、基于云的仿真和高级建模工具的民主化上。以Humanetics为首的行业合作正在推动标准化、经过验证的虚拟模型的开发，以供监管和工业使用。随着监管机构越来越认识到虚拟测试，核心技术的采用将加速，从而推动安全设计和伤害预防在多个领域的改善。
行业领先者与近期创新
2025年伤害生物力学仿真技术的格局由一批成熟的行业领导者和创新新兴企业塑造，他们各自在数字人建模、撞击仿真和伤害预测的快速演变中作出贡献。这些技术在汽车安全、体育设备设计、军事应用和医疗保健中越来越关键，使得精确的虚拟测试和优化产品与协议得以实现，以减少伤害风险。
在最知名的参与者中，DSM继续因其先进材料和仿真解决方案而受到认可，特别是在防护装备和汽车安全方面。他们在聚合物科学方面的专业知识通常与数字仿真平台相结合，以预测材料在冲击下的行为，支持产品开发和法规遵循。
作为工程仿真的全球领导者，Ansys提供包括人体模型和伤害生物力学模块在内的综合软件套件。他们的工具被汽车OEM和一级供应商广泛应用于虚拟撞击测试，使得评估乘员伤害风险在多种场景中变得可能。在2024年和2025年，Ansys扩展了与汽车和航空航天公司的合作伙伴关系，以进一步完善其人体模型，融入更详细的解剖结构和改进的伤害准则。
另一关键参与者，达索系统，通过其SIMULIA品牌提供生活心脏和生活大脑项目，这些项目模拟器官级的生物力学，用于医疗器械测试和手术规划。他们的数字人建模能力也被汽车和体育行业利用，以模拟复杂的伤害机制，如创伤性脑损伤和脊髓损伤。
在汽车行业中，丰田汽车公司一直在开发和分享先进的人体模型方面处于前沿，如安全总人体模型（THUMS）。这些模型在全球用于模拟各种撞击情景，并以高解剖忠实度预测伤害结果。在2025年，丰田继续与行业和学术合作伙伴合作，以增强THUMS，关注儿童和老年人群体，以应对道路安全中的人口结构变化。
新兴公司也在取得显著进展。Humanetics以将物理撞击测试假人与数字双胞胎集成而闻名，使得结合现实数据和虚拟数据的混合测试方法成为可能。他们近期的创新包括嵌入传感器的假人和基于云的仿真平台，促进全球团队之间的快速迭代和数据共享。
展望未来，行业预计将进一步融合AI、高性能计算和基于云的协作，实现更加个性化和预测性的伤害仿真。随着监管机构越来越多地要求虚拟测试，行业领导者正投资于开放标准和互操作性，以简化数据交换，加速创新。
应用：汽车、体育、军事和医疗器械领域
伤害生物力学仿真技术在汽车、体育、军事和医疗器械领域越来越关键，2025年标志着快速整合和创新的时期。这些技术利用先进的计算模型、高保真的人体仿真和基于传感器的数据，预测、分析和缓解实际场景中的伤害风险。
在汽车行业中，仿真技术是乘员安全系统开发和法规遵循的核心。像丰田汽车公司和大众汽车集团等领先汽车制造商和供应商，利用数字人模型和虚拟撞击测试来优化约束系统和车辆结构。像达索系统（与SIMULIA）和ESI集团这样的专业软件供应商提供平台，模拟复杂的撞击情景，使工程师能够评估各种人口特征（包括儿童和老年乘员）的伤害机制。这些工具的采用预计将随着监管机构推进更全面和详细的安全评估而加快。
在体育领域，伤害生物力学仿真用于设计更安全的设备和训练方案。像耐克公司和阿迪达斯（Adidas AG）利用数字双胞胎和有限元分析，评估力对运动员身体的影响，从而为头盔、鞋类和保护装备的发展提供依据。这些仿真越来越多地与可穿戴传感器数据集成，提供实时反馈和个性化风险评估。预计这一趋势将继续，体育管理机构和设备制造商将共同努力降低脑震荡和肌肉骨骼损伤率。
军事领域依靠伤害生物力学仿真来增强士兵的生存能力和设备设计。国防机构和承包商，包括洛克希德·马丁公司和BAE系统公司，使用虚拟人模型模拟爆炸、弹道和钝力创伤。这些见解为先进的防弹衣、车辆内部设计和训练方案的发展提供支持。随着军事行动日益涉及复杂环境，对高保真、特定情景仿真的需求预计将增长。
在医疗器械领域，仿真技术正在转变植入物、假肢和手术工具的设计和验证。像史密斯和奈菲（Smith & Nephew）和斯特瑞克公司（Stryker Corporation）利用生物力学建模预测器械与组织之间的相互作用，优化产品安全性。监管机构鼓励使用计算机模拟试验，从而减少对动物和人类测试的需求。未来几年，预计这些方法的广泛采用将由于计算能力和解剖建模的进步而得到推动。
总的来说，伤害生物力学仿真技术的展望十分乐观，各领域之间的协作和监管支持推动着创新。随着数字双胞胎、人工智能和传感器整合的成熟，这些工具将变得更加在伤害预防和各行业产品开发中不可或缺。
监管环境和标准（如NHTSA、ISO、SAE）
到2025年，伤害生物力学仿真技术的监管环境正在迅速演变，因为全球安全机构和标准组织正在适应数字建模和仿真工具的日益复杂性。监管机构如美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）、国际标准化组织（ISO）和国际汽车工程师学会（SAE International）正在积极更新和扩展指南，以容纳先进仿真技术在车辆安全评估和认证过程中的整合。
NHTSA在将仿真纳入监管协议方面走在前列，尤其是在其新车评估程序（NCAP）中。该机构正在试点使用人体模型（HBMs）和有限元分析（FEA），以补充传统的撞击测试假人，旨在更准确地预测各种乘员尺寸、年龄和姿势下的伤害结果。预计在2024年和2025年，NHTSA将正式化关于数字人模型在监管提交中验证和使用的指导方针，这一举动很可能会影响全球协调努力。
ISO在标准化仿真方法中发挥着关键作用。ISO 18571系列处理乘员伤害仿真，正在积极修订，以反映计算生物力学的进步和虚拟测试在一致性验证中的日益使用。这些标准正在更新，以指定模型验证、数据质量和报告的要求，确保仿真结果的可靠性和可重复性。ISO与汽车OEM和仿真软件提供商的合作正在促进有关将数字双胞胎和HBMs融入安全评估工作流程的最佳实践达成共识。
SAE International也在推进仿真标准，特别是通过其J3018和J3114指南，重点关注HBMs的应用和仿真工具在撞击安全性研究中的验证。SAE的委员会正与行业领导者和技术开发者密切合作，以解决模型互操作性、数据交换格式和人类数据在仿真中的伦理使用等挑战。这些努力预计将在2026年达成新标准或修订标准，以支持仿真在监管和竞争前上下游的广泛应用。
展望未来，伤害生物力学仿真技术的监管前景将越来越被认可和正式化。随着仿真工具变得更加准确和易于获得，监管机构可能会要求在特定场景中使用它们，例如先进的驾驶辅助系统（ADAS）验证和弱势道路用户保护。监管机构、标准机构和行业参与者之间的持续合作将对确保仿真技术增强安全结果至关重要，同时保持科学的严谨性和透明度。
案例研究：现实影响与验证
伤害生物力学仿真技术的迅速发展伴随着现实世界案例研究的出现，展示了它们在安全、产品开发和法规遵循方面的影响。到2025年，先进的计算模型、高保真的人体仿真和AI驱动的分析的整合正在使伤害风险的预测和缓解变得更加精确，涵盖汽车、体育和医疗领域。
一个显著的例子是汽车行业采用数字人体模型（HBMs）进行撞击测试。丰田汽车公司持续完善其安全总人体模型（THUMS），一个用于模拟和分析车辆碰撞中伤害的虚拟人体模型。在过去的几年中，THUMS在先进约束系统和车辆结构的设计中发挥了重要作用，验证研究表明模拟结果与实际撞击测试数据之间有很高的相关性。这导致了乘员保护的改善，并为全球范围内的监管提交提供了支持。
同样，沃尔沃汽车利用伤害生物力学仿真提升其作为安全领导者的声誉。通过在虚拟撞击测试协议中集成详细的HBMs，沃尔沃能够评估多样化人群的伤害机制，包括女性和老年人——这些人群在物理撞击测试中历史上被低估。这些努力促进了新安全功能的发展，并通过市场后事故分析得到了验证，显示在实际碰撞中降低了伤害率。
在体育装备领域，耐克公司利用伤害生物力学仿真来优化鞋类和保护装备。通过模拟冲击力和关节动力学，耐克的研发团队验证了可以减少常见运动损伤（如脚踝扭伤和脑震荡）的新设计。这些仿真得到了现场测试和运动员反馈的支持，支持产品声明和法规遵循。
医疗器械制造商也正在接受仿真技术以进行临床前验证。全球整形外科器械领导者史密斯和奈菲运用有限元分析和虚拟原型预测植入物的性能和潜在伤害结果。这些仿真与尸体研究和临床数据进行验证，加快了法规批准和市场推出的进程。
展望未来，预计未来几年将看到更广泛采用基于云的仿真平台和AI增强的伤害预测模型。行业领导者正在与监管机构合作，建立标准化验证协议，以确保仿真结果的可靠性和可操作性。随着计算能力和数据可用性的提高，伤害生物力学仿真技术将在保护人类健康和推动产品创新方面发挥更大的作用。
新兴趋势：数字双胞胎、个性化生物力学和云仿真
到2025年，伤害生物力学仿真技术正经历快速变革，这得益于数字双胞胎、个性化生物力学和基于云的仿真平台之间的融合。这些趋势正在重新塑造汽车、体育和医疗行业处理伤害预测、预防和缓解的方式。
数字双胞胎技术——物理系统的虚拟副本——已成为伤害生物力学中的基石。通过整合实时传感器数据和先进建模，数字双胞胎能够持续监测和模拟人体在各种影响场景下的反应。领先的工程软件供应商如ANSYS和西门子正在扩展他们的数字双胞胎产品，包括高度详细的人体模型，使汽车碰撞测试和体育设备设计中的情景基础伤害风险评估成为可能。这些数字双胞胎越来越多地被汽车OEM和体育组织用于在实际原型制作之前优化安全特性和保护装备。
个性化生物力学是另一大趋势，通过利用个体特定的数据（如医学影像、可穿戴传感器输出和遗传信息）创建定制的人体模型。这种方法能够更精确地模拟多样化人群的伤害机制和结果。像达索系统这样的公司在这方面处于前沿，提供将患者特定解剖数据集成到其仿真环境中的平台。这种个性化在医疗保健中特别有价值，支持手术规划和针对个别患者的康复策略。
基于云的仿真正在使高保真伤害生物力学工具的访问民主化。通过将计算密集型的仿真迁移到云端，组织可以按需扩展资源、全球协作和降低基础设施成本。Altair和ANSYS都推出了基于云的仿真套件，使用户能够在不需要本地高性能计算集群的情况下进行复杂的伤害生物力学分析。这一变化正在加速创新周期，因为研究人员和工程师可以更快速地迭代设计和测试伤害情景。
展望未来，人工智能和机器学习与这些技术的整合预计将进一步增强伤害生物力学中的预测准确性和自动化。行业合作，例如仿真软件供应商与汽车或医疗器械制造商之间的合作，可能会加剧，推动更复杂的数字人模型和仿真工作流程的发展。随着监管机构越来越认识到虚拟测试的价值，数字双胞胎和个性化仿真预计将在未来几年的安全认证和产品开发过程中成为标准工具。
挑战：数据质量、模型验证和伦理考虑
伤害生物力学仿真技术正在迅速发展，但截至2025年，数据质量、模型验证和伦理考虑等几大关键挑战依然存在。这些挑战对于确保仿真输出在现实世界的安全和医疗环境中既科学严谨又实用至关重要。
数据质量： 高保真的仿真模型依赖于准确、全面的生物力学数据。然而，获取这些数据依然是一个重大障碍。人类组织的特性、伤害阈值和解剖变异性在精确建模所需的细致程度上较难捕捉。领先的开发者如Humanetics Group 和ESI Group在实验测试和数据收集上投入巨大，但即使是他们的先进人形测试设备（ATDs）和数字人模型也受到生物数据可用性和变异性的限制。医学影像、传感器数据和尸体研究（PMHS）的整合仍在进行中，但伦理和后勤限制往往限制了此类数据集的范围和规模。
模型验证： 确保仿真模型准确预测现实世界伤害结果是一个持续的挑战。验证通常需要大量与实验结果的比较，包括撞击测试和尸体研究。像Humanetics Group和DYNAmore GmbH等公司在开发和验证用于汽车和体育安全应用的有限元人体模型（HBMs）方面处于前沿。然而，人类解剖和伤害机制的多样性意味着没有单一模型可以针对所有场景进行广泛验证。行业正在向模块化和可定制模型发展，但这增加了验证协议的复杂性和对标准基准的需求，正如SAE International等组织所倡导的那样。
伦理考虑： 使用人类数据，特别是来自PMHS和临床来源的数据，提出了重大的伦理问题。知情同意、隐私和尊重敏感数据的使用至关重要。行业领导者越来越多地采取严格的数据治理框架，并与监管机构合作，以确保遵守不断变化的标准。此外，随着仿真技术被用于指导安全法规和医疗干预，透明性和可解释性的问题也变得愈发重要，以避免潜在的偏见或误用。
展望未来，行业预计将通过增加国际合作、采取开放数据标准，以及整合人工智能以增强数据合成和模型验证来应对这些挑战。然而，技术进步与伦理责任之间的平衡将在未来几年内仍然是伤害生物力学仿真技术的一大定义性问题。
未来展望：下一代仿真、市场机会和战略建议
伤害生物力学仿真技术的未来正处于重大转型的边缘，计算能力、人工智能（AI）和传感器集成的进步交汇。到2025年及以后，行业预计将见证下一代仿真平台的加速采用，这得益于对汽车、体育、国防和医疗行业日益迫切的更准确、快速和经济的伤害预测与预防解决方案的需求。
一大趋势是将高保真的人体模型与实时数据流集成。像Humanetics等公司处于这一趋势的前沿，开发数字双胞胎和先进的人形测试设备（ATDs），将物理撞击测试假人与复杂的虚拟模型结合。这些数字双胞胎能够模拟复杂伤害机制，在不同场景下支持法规遵从和安全设计的创新。
AI和机器学习正越来越多地嵌入仿真工作流程，促进预测分析和自动情景生成。达索系统和Ansys正扩展其仿真套件，以包括AI驱动的优化，使工程师能够以前所未有的速度和准确性快速迭代设计并评估伤害风险。这些平台也在增强支持基于云的协作，促进全球研发努力并减少安全关键产品的上市时间。
传感器技术是另一个快速发展的领域。可穿戴传感器和物联网设备与仿真环境的集成正在实现现实世界数据捕获，以进行模型验证和个性化。Tekscan和Xsens以其传感器解决方案而闻名，这些解决方案提供细致的生物力学数据，可输入仿真平台以提高个体用户或特定人群的伤害预测的保真度。
市场机会正在扩大，因为监管机构和行业标准越来越多地要求虚拟测试和数字认证。特别是汽车行业正在朝向虚拟合规，像欧洲新车评估计划（Euro NCAP）等组织正在支持使用仿真进行安全评估。这种转变预计将推动对经过验证的、可互操作的仿真工具的需求，并促进软件开发者、硬件制造商和研究机构之间的合作伙伴关系。
利益相关者的战略建议包括投资于可互操作的、AI启用的仿真生态系统；优先考虑与传感器和数据分析提供商的合作；以及与监管机构合作以塑造新兴标准。能够提供经过验证的、可扩展的和用户友好的仿真解决方案的公司，将在这一动态市场中占得先机，随着数字转型在2025年及以后加速发展。
来源与参考资料
- HBM Prenscia
- Humanetics Group
- DSM
- Altair Engineering
- MSC Software
- Toyota Motor Corporation
- Volkswagen AG
- ESI Group
- Nike, Inc.
- Lockheed Martin Corporation
- Smith & Nephew plc
- ISO
- Siemens
- Tekscan
- Xsens
- Euro NCAP
