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头盔如何保护我们脆弱的大脑?



北京时间7月6日消息,头部受伤和脑震荡可能会带来可怕的后果,甚至可能影响终身。我们能否找到保护大脑安全的万全之策?大脑是我们脆弱而宝贵的资产,包裹在颅骨的厚重骨质外壳内。在很大程度上,颅骨保护着大脑免受我们日常生活中各种可能的伤害。在这一“装甲防护层”之下,还有多层保护膜和脑脊液为大脑提供缓冲。

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头盔在我们的日常生活中随处可见,它们如何保护我们脆弱的大脑?

然而,有时光有骨骼的保护是不够的。对头部的重击会导致颅骨破裂,进而损伤里面的大脑。重击也会使这个松软的器官在颅骨内来回晃动,当大脑撞击坚硬的颅骨时,其软组织很容易损伤。

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我们的大脑是由坚硬的颅骨保护的脆弱器官,但有时也需要额外的保护

运动场上的碰撞、自行车事故、在建筑工地上跌倒或滑倒,以及战场上的受伤,所有这些情况对大脑的威胁都超过了日常行为,因此,我们需要对大脑进行额外的保护。头盔就是最常见的保护方式。不过,头盔不能仅仅加厚的保护壳,而是必须与使用场景相匹配,同时尽可能提供最佳的保护效果。

随着先进的新材料不断面世,以及各种创造性的思维,新一代的保护头盔正在让我们脆弱的大脑更加安全。

自行车骑行头盔

自行车头盔的主要作用是防止头部与地面的直接碰撞。我们很少需要骑行头盔,但是当它们被需要时,很可能就会成为救命稻草。然而,在自行车骑行圈子里,关于是否有必要戴头盔的争论一直在继续。一些研究表明,汽车司机在开车时会与戴头盔的骑行者离得更近,而其他研究发现,只要戴上头盔,骑行者就会更有安全意识。在仔细研究了头盔在发生事故时的实际作用后,英国诺丁汉大学的生物工程师多纳尔·麦克纳利得出了毫无疑问的结论。

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如果骑行者摔倒或与车辆发生碰撞,繁忙的道路环境会使他们面临各种各样的危险

麦克纳利说:“我做了相当多的实验,对现实中的骑行撞击进行模拟,结果表明,头盔具有非常良好的保护作用,尤其是对儿童来说。”

尽管大多数骑行头盔重量很轻,但效果都非常好。头盔的外壳由坚硬的材料制成,如碳纤维或聚碳酸酯,可以分散撞击力度。头盔通常被设计成“蛋壳”形状,在撞击时会凹陷,就像汽车的撞击缓冲区一样吸收能量。在头盔里面有一层发泡聚苯乙烯,在撞击时会永久地变形并吸收能量,进一步减少对穿戴者头骨的冲击。发泡聚苯乙烯俗称保丽龙,是聚苯乙烯的高质量版本——无处不在的一次性泡沫饭盒便是用聚苯乙烯制成。

麦克纳利就亲身体验过自行车头盔的作用。2010年,他在骑车时被一辆车撞倒,严重受伤。根据自己的研究结果,麦克纳利认为如果没有头盔,他的伤势会更加严重。他曾在上课时向学生展示了头盔损坏的照片。“那个头盔救了我的命,”麦克纳利说道。

就大脑受到的撞击而言,由某个角度撞击所导致的旋转运动是相当特殊的挑战,这会导致大脑旋转,在短时间内使其扭曲变形。这是极具破坏性的。这也是为什么拳击中的击倒更可能来自侧面或下方的攻击,因为与直拳不同,这些角度的击打会导致头部旋转。

麦克纳利说:“在很多情况下,这并不是一个影响因素,但对于某些类型的撞击,比如被卡车的后视镜击中时,旋转运动的伤害可能会非常严重。”

许多新的头盔现在都配备了“多方向碰撞保护系统”,这有助于防止旋转运动造成的伤害。这种头盔最初在2000年由瑞典神经外科医生研发并进行了测试。当头盔受到撞击时,头盔外壳和内衬之间的一层材料会滑动,使头盔外部旋转约一厘米,从而转移部分大脑可能受到的部分冲击。

另一种新的头盔安全技术称为WaveCel,使用的是蜂窝状结构。在受到撞击时,头盔衬垫的数层材料会独立地移动和弯曲,吸收旋转运动和撞击的力道。这项技术的开发者进行了一组测试,显示标准头盔产生旋转损伤的几率为59%,Mips型头盔将损伤几率降低到34%,而WaveCel头盔仅为1.2%。然而,Mips头盔的制造商认为这些数据存在争议。美国弗吉尼亚理工大学的一项独立评估发现,Mips头盔的设计提供了略胜一筹的保护效果。

然而,尽管目前的自行车头盔可能在保护颅骨方面非常有效,但面部损伤的问题尚未解决。2019年,汉诺威医学院的一项统计研究发现,14%的自行车事故涉及到面部损伤,而是否戴头盔对此没有影响。作者建议未来的自行车头盔应该包含某种形式的面部保护功能。目前,一些极限越野自行车手会佩戴包含护甲或面罩的头盔,但和以往一样,让公众在日常骑行中也戴上这些装备并不容易。

安全帽

黄色安全帽在建筑工地上随处可见,来访的政界人士也会在拍照时特意戴上它。这种安全帽的设计目的,是为了防止坠落物的撞击,以及低横梁及其他建筑工地危险物的碰撞或刮擦。安全帽通常由热塑性塑料或聚碳酸酯制成,其内部具有悬挂的顶带,使头部和帽壳保持30毫米的间隙,从而减少撞击传递到头骨的机会。

但是,在汗流浃背的建筑工地,这些安全帽可能会变热,让工作人员感到不舒服,有些人还会因此脱下安全帽。增加通风孔道也会削弱安全帽的外壳。因此,印度韦洛尔理工学院的一个研究团队希望通过一些内置空调来解决这个问题。他们设计了一种安全帽,其中包括一个由基于石蜡的相变材料制成的散热器。在与体温相同的温度下,散热材料会融化并吸收热量,让穿戴者在几个小时内保持凉爽。

该大学的另一个研究小组则在研究用于减震的替代材料。安全帽通常是用合成纤维(如凯芙拉纤维或碳纤维)强化的聚合树脂制成的,但研究人员正在研究用更容易获得且生产起来更环保的天然纤维来替代它们。他们发现,通常用于麻袋、绳子和地毯的黄麻纤维具有很大的潜力,可以作为提高安全帽强度的替代材料。

板球头盔

板球会对人的头部造成非同一般的威胁。板球重约160克,其中心是一个软木球,最外层用皮革包裹,在比赛中的击出速度可以达到每小时161公里。被这样一个球击中很容易导致颅骨骨折或下颚碎裂,如果撞击的位置不对,还会导致失明。最严重的情况下,甚至可以致人死亡。这一切都意味着,在板球比赛中头盔和面罩一样,都是必不可少的。现代的板球头盔包括一个笼子状的面罩,以及一顶保护头骨的硬帽。

2013年,英国引入了一项针对防护面罩的射弹测试新标准。现在,像Masuri这样的板球头盔制造商会用空气炮向头盔发射板球来证明其性能。他们还加强了面部保护,发现让球偏转比完全阻止球的撞击更有效。

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被时速高达160公里的板球击中头部或脸部可能会导致致命的伤害

“击球手会很自然地移动,以避免受到球的任何撞击,”Masuri的首席执行官山姆•米勒说,“面罩与脸部有一定距离,可以使球偏转,从而在保护穿戴者免受撞击的同时,不会损害能见度和机动性。”

他们在面罩上安装了双杆格栅,就在眼线下方,其中一栏稍微比另一栏稍微靠后。“后杆会迫使球向上,飞向帽檐的实心部分,使球体远离球员的脸部,”米勒说道。这一设计既提供了高水平的保护,又不妨碍视线,使其在国际板球运动员中逐渐流行。不过,尽管加固的塑料外壳可以保护头骨,但还是有额外保护的必要,尤其是在球可能从后面飞来的情况下。

2014年,澳大利亚板球运动员菲利普·休斯在尝试勾手击球时,被不规则弹跳的板球击中颈部,导致脑出血,最终在两天后死亡。他的死促使板球头盔加装了颈部防护,为后脑等区域提供额外保护。例如,Masuri开发的Stemguard就是一个夹在头盔格栅后面的配件,用来保护头颈部后部。Stemguard由热塑性聚氨酯蜂窝材料制成,还使用压碎泡沫以增强撞击缓冲。

不过,目前这种颈部保护只是额外的选项。澳大利亚板球运动员史蒂夫·史密斯在最近的骨灰杯(英格兰和澳大利亚之间的系列对抗赛)中被时速148公里的投球击中,导致脑震荡,而当时他并没有佩戴颈部保护罩。这个例子凸显了各种头部保护技术面临的最大挑战之一:除非人们被说服戴上它们,否则它们不会起作用。

或许让板球运动员不愿意佩戴头盔的最大原因在于酷热和潮湿。头盔通常都有通风设计以利于降温,但如何优化是另一个科学挑战。一些研究人员在特殊的“出汗假人”上进行了实验,以比较不同的设计方案。如今,研究人员可以在头盔中嵌入温度和湿度传感器,获得比赛过程中“热点”和“湿点”的实时映射。这类研究最终将使头盔的温度变得更低,即使在最热的日子里也更容易被运动员们接受。

解决抱摔难题

近年来,美式橄榄球的参与率有所下降,部分原因是有研究表明球员的脑部存在长期损伤。这一现状也促使研究人员努力开发更好的头部保护装备。与自行车头盔不同的是,由于橄榄球头盔不能在每次碰撞后都更换,因此往往由硬壳与泡沫衬垫组成。

“大多数头盔都能很好地减少力量传递。这就是颅骨骨折在橄榄球比赛中很少见的原因,”美国密歇根大学的机械工程师艾伦·阿鲁达说,“它们做得不好的地方主要在于能量耗散。就减少大脑所受到的冲击而言,能量耗散是必不可少的。”

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关于如何保护美国职业橄榄球联盟球员免受脑震荡和大脑长期损伤的讨论越来越多

艾伦·阿鲁达的团队正在研究一种新式头盔设计,以解决这个问题。她说:“我们的方法将整个头盔视为一个复合结构,包括一个或多个黏弹性层。”

黏弹性材料十分特别,它们尽管是固体,但在某些方面又像液体,可以流动并耗散能量。这种新型头盔将采用一种为应对橄榄球比赛中的撞击而专门开发的合成黏弹性聚合物。“我们的设计减少了传递至头骨和大脑的力量和冲击,从而减轻撞击的影响,”阿鲁达说道。

一些公司也在研究改进传统头盔设计的方法。Vicis公司生产的Zero1头盔具有一个可变形的热塑性外壳,在受到撞击时的反应很像硬橡胶,可以吸收部分冲击能量。头盔内部是一层类似弹簧的“柱状元素”,用来吸收来自不同方向的冲击。就像用于自行车头盔的Mips设计一样,这有助于减少旋转力。

旋转损伤在美式橄榄球运动中是一种特殊的风险,但可以通过使头盔变得光滑来减少撞击传递到头部的力量。加拿大西蒙弗雷泽大学的一个团队正在测试可以应用在头盔外部的贴纸。该贴纸由若干层薄膜组成,一次斜侧撞击就会导致外层自由滑动,使旋转效应降低多达74%。不过,贴纸在受到严重撞击后需要更换。

战场上的保护

2018年,两名警察在阿富汗东部的迈万德营向一群美军士兵开枪,导致一名陆军参谋军士长丧生。另一名在伏击中受伤的士兵也可能在当天丧生。

上士史蒂文·麦奎因被一辆皮卡车后部的机关枪近距离击中脑后部,冲击力将他撞倒在地。令人惊讶的是,几秒钟后他又站了起来,重新开始战斗。子弹击中了他麦奎因的头盔,而头盔吸收了冲击力并阻止了子弹。这名士兵之所以能幸存下来,很大程度上要归功于他头上那顶具有非凡韧性的头盔。这种头盔被称为“头部综合保护系统”。

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现代战斗头盔足以抵挡子弹

和战场上的军人一样,军用头盔也面临着一个独特而不断变化的挑战,包括各种小块、密集和高速的物体,特别是炮弹碎片和子弹。

20世纪早期,士兵们佩戴的是钢盔。后来到20世纪70和80年代,钢盔被凯芙拉头盔取代,但古今,凯芙拉材料已经被聚乙烯取代。这里说的不是饮料瓶和三明治包装上的低密度聚乙烯,而是超高分子量聚乙烯。这种材料甚至可以在近距离拦截大口径步枪子弹。

美国陆军士兵防护装备产品经理金杰•怀特海德中校表示:“从提供保护的程度上,UHMWP目前是用于头盔的材料中最棒的。”

UHMWP由分子量比普通聚乙烯大一百倍的分子组成,可以纺成纤维,看起来和感觉上都与尼龙相似,但是却能防弹。

为美国生产军用头盔的是3M公司,其防务产品开发高级经理瓦西里奥斯•布拉霍斯表示:“UHMWP的独特之处在于它的强度和韧性。”

这里的“韧性”是一个技术术语,既包括拉伸材料所需的力量,也包括材料在断裂前的拉伸距离。UHMWP之所以能很好地拦截子弹,正是因为它有足够强的拉伸性能,而且能吸收大量能量而不断裂。

美国陆军将在明年采用一种改进型的头盔,作为下一代作战头盔,更好的防护材料也正在研制中。“UHMWP还相对年轻,没有完全得到利用,”布拉霍斯说,“我们大约只开发了它60%的能力。”

然而,即使头盔挡住了子弹,佩戴者仍然可能遭受钝挫伤。西班牙巴伦西亚理工大学的工程师玛尔塔·波罗玛说:“这与其他钝挫伤非常相似,比如被锤子砸到的损伤。”只不过在枪击情况下,钝挫伤是由一个速度高达每秒几百米的物体造成的。

当头盔被子弹击中时,会变形并向内弯曲。如果变形大于头盔内表面与头部之间的距离,则子弹就会穿过头盔并击中头部,造成相对严重的创伤。如果头盔更坚固、变形更少,则创伤的风险可能会降低,但这会增加子弹穿过头盔的几率。“从我们的角度来看,阻止头盔被子弹穿透的重要性远远超过了任何钝挫伤的风险,”布拉霍斯说道。

承受一部分钝挫伤的风险被认为是目前最好的权衡之计。玛尔塔·波罗玛的团队正在努力厘清这种危险并建立标准,包括建议为头部较大者生产的头盔不要减少衬垫的厚度。他们认为,应该根据佩戴者的头部比例来增加头盔的尺寸。其他研究人员也在开发更好的减震材料,试图进一步减少头部损伤。