頭盔如何保護我們脆弱的大腦？
頭盔在我們的日常生活中隨處可見，它們如何保護我們脆弱的大腦？
新浪科技訊 北京時間7月6日消息，頭部受傷和腦震蕩可能會帶來可怕的後果，甚至可能影響終身。我們能否找到保護大腦安全的萬全之策？
大腦是我們脆弱而寶貴的資產，包裹在顱骨的厚重骨質外殼內。在很大程度上，顱骨保護著大腦免受我們日常生活中各種可能的傷害。在這一「裝甲防護層」之下，還有多層保護膜和腦脊液為大腦提供緩衝。
然而，有時光有骨骼的保護是不夠的。對頭部的重擊會導致顱骨破裂，進而損傷裡面的大腦。重擊也會使這個鬆軟的器官在顱骨內來回晃動，當大腦撞擊堅硬的顱骨時，其軟組織很容易損傷。
我們的大腦是由堅硬的顱骨保護的脆弱器官，但有時也需要額外的保護
運動場上的碰撞、自行車事故、在建築工地上跌倒或滑倒，以及戰場上的受傷，所有這些情況對大腦的威脅都超過了日常行為，因此，我們需要對大腦進行額外的保護。頭盔就是最常見的保護方式。不過，頭盔不能僅僅加厚的保護殼，而是必須與使用場景相匹配，同時儘可能提供最佳的保護效果。
隨著先進的新材料不斷面世，以及各種創造性的思維，新一代的保護頭盔正在讓我們脆弱的大腦更加安全。
自行車騎行頭盔
自行車頭盔的主要作用是防止頭部與地面的直接碰撞。我們很少需要騎行頭盔，但是當它們被需要時，很可能就會成為救命稻草。然而，在自行車騎行圈子裡，關於是否有必要戴頭盔的爭論一直在繼續。一些研究表明，汽車司機在開車時會與戴頭盔的騎行者離得更近，而其他研究發現，只要戴上頭盔，騎行者就會更有安全意識。在仔細研究了頭盔在發生事故時的實際作用後，英國諾丁漢大學的生物工程師多納爾·麥克納利得出了毫無疑問的結論。
如果騎行者摔倒或與車輛發生碰撞，繁忙的道路環境會使他們面臨各種各樣的危險
麥克納利說：「我做了相當多的實驗，對現實中的騎行撞擊進行模擬，結果表明，頭盔具有非常良好的保護作用，尤其是對兒童來說。」
儘管大多數騎行頭盔重量很輕，但效果都非常好。頭盔的外殼由堅硬的材料製成，如碳纖維或聚碳酸酯，可以分散撞擊力度。頭盔通常被設計成「蛋殼」形狀，在撞擊時會凹陷，就像汽車的撞擊緩衝區一樣吸收能量。在頭盔裡面有一層發泡聚苯乙烯，在撞擊時會永久地變形並吸收能量，進一步減少對穿戴者頭骨的衝擊。發泡聚苯乙烯俗稱保麗龍，是聚苯乙烯的高質量版本——無處不在的一次性泡沫飯盒便是用聚苯乙烯製成。
麥克納利就親身體驗過自行車頭盔的作用。2010年，他在騎車時被一輛車撞倒，嚴重受傷。根據自己的研究結果，麥克納利認為如果沒有頭盔，他的傷勢會更加嚴重。他曾在上課時向學生展示了頭盔損壞的照片。「那個頭盔救了我的命，」麥克納利說道。
就大腦受到的撞擊而言，由某個角度撞擊所導致的旋轉運動是相當特殊的挑戰，這會導致大腦旋轉，在短時間內使其扭曲變形。這是極具破壞性的。這也是為什麼拳擊中的擊倒更可能來自側面或下方的攻擊，因為與直拳不同，這些角度的擊打會導致頭部旋轉。
麥克納利說：「在很多情況下，這並不是一個影響因素，但對於某些類型的撞擊，比如被卡車的後視鏡擊中時，旋轉運動的傷害可能會非常嚴重。」
許多新的頭盔現在都配備了「多方向碰撞保護系統」，這有助於防止旋轉運動造成的傷害。這種頭盔最初在2000年由瑞典神經外科醫生研發並進行了測試。當頭盔受到撞擊時，頭盔外殼和內襯之間的一層材料會滑動，使頭盔外部旋轉約一厘米，從而轉移部分大腦可能受到的部分衝擊。
另一種新的頭盔安全技術稱為WaveCel，使用的是蜂窩狀結構。在受到撞擊時，頭盔襯墊的數層材料會獨立地移動和彎曲，吸收旋轉運動和撞擊的力道。這項技術的開發者進行了一組測試，顯示標準頭盔產生旋轉損傷的幾率為59%，Mips型頭盔將損傷幾率降低到34%，而WaveCel頭盔僅為1.2%。然而，Mips頭盔的製造商認為這些數據存在爭議。美國弗吉尼亞理工大學的一項獨立評估發現，Mips頭盔的設計提供了略勝一籌的保護效果。
然而，儘管目前的自行車頭盔可能在保護顱骨方面非常有效，但面部損傷的問題尚未解決。2019年，漢諾威醫學院的一項統計研究發現，14%的自行車事故涉及到面部損傷，而是否戴頭盔對此沒有影響。作者建議未來的自行車頭盔應該包含某種形式的面部保護功能。目前，一些極限越野自行車手會佩戴包含護甲或面罩的頭盔，但和以往一樣，讓公眾在日常騎行中也戴上這些裝備並不容易。
安全帽
黃色安全帽在建築工地上隨處可見，來訪的政界人士也會在拍照時特意戴上它。這種安全帽的設計目的，是為了防止墜落物的撞擊，以及低橫樑及其他建築工地危險物的碰撞或刮擦。安全帽通常由熱塑性塑料或聚碳酸酯製成，其內部具有懸掛的頂帶，使頭部和帽殼保持30毫米的間隙，從而減少撞擊傳遞到頭骨的機會。
但是，在汗流浹背的建築工地，這些安全帽可能會變熱，讓工作人員感到不舒服，有些人還會因此脫下安全帽。增加通風孔道也會削弱安全帽的外殼。因此，印度韋洛爾理工學院的一個研究團隊希望通過一些內置空調來解決這個問題。他們設計了一種安全帽，其中包括一個由基於石蠟的相變材料製成的散熱器。在與體溫相同的溫度下，散熱材料會融化並吸收熱量，讓穿戴者在幾個小時內保持涼爽。
該大學的另一個研究小組則在研究用於減震的替代材料。安全帽通常是用合成纖維（如凱芙拉縴維或碳纖維）強化的聚合樹脂製成的，但研究人員正在研究用更容易獲得且生產起來更環保的天然纖維來替代它們。他們發現，通常用於麻袋、繩子和地毯的黃麻纖維具有很大的潛力，可以作為提高安全帽強度的替代材料。
板球頭盔
板球會對人的頭部造成非同一般的威脅。板球重約160克，其中心是一個軟木球，最外層用皮革包裹，在比賽中的擊出速度可以達到每小時161公里。被這樣一個球擊中很容易導致顱骨骨折或下顎碎裂，如果撞擊的位置不對，還會導致失明。最嚴重的情況下，甚至可以致人死亡。這一切都意味著，在板球比賽中頭盔和面罩一樣，都是必不可少的。現代的板球頭盔包括一個籠子狀的面罩，以及一頂保護頭骨的硬帽。
2013年，英國引入了一項針對防護面罩的射彈測試新標準。現在，像Masuri這樣的板球頭盔製造商會用空氣炮向頭盔發射板球來證明其性能。他們還加強了面部保護，發現讓球偏轉比完全阻止球的撞擊更有效。
被時速高達160公里的板球擊中頭部或臉部可能會導致致命的傷害
「擊球手會很自然地移動，以避免受到球的任何撞擊，」Masuri的首席執行官山姆?米勒說，「面罩與臉部有一定距離，可以使球偏轉，從而在保護穿戴者免受撞擊的同時，不會損害能見度和機動性。」
他們在面罩上安裝了雙桿格柵，就在眼線下方，其中一欄稍微比另一欄稍微靠後。「後桿會迫使球向上，飛向帽檐的實心部分，使球體遠離球員的臉部，」米勒說道。這一設計既提供了高水平的保護，又不妨礙視線，使其在國際板球運動員中逐漸流行。不過，儘管加固的塑料外殼可以保護頭骨，但還是有額外保護的必要，尤其是在球可能從後面飛來的情況下。
2014年，澳大利亞板球運動員菲利普·休斯在嘗試勾手擊球時，被不規則彈跳的板球擊中頸部，導致腦出血，最終在兩天後死亡。他的死促使板球頭盔加裝了頸部防護，為後腦等區域提供額外保護。例如，Masuri開發的Stemguard就是一個夾在頭盔格柵後面的配件，用來保護頭頸部後部。Stemguard由熱塑性聚氨酯蜂窩材料製成，還使用壓碎泡沫以增強撞擊緩衝。
不過，目前這種頸部保護只是額外的選項。澳大利亞板球運動員史蒂夫·史密斯在最近的骨灰杯（英格蘭和澳大利亞之間的系列對抗賽）中被時速148公里的投球擊中，導致腦震蕩，而當時他並沒有佩戴頸部保護罩。這個例子凸顯了各種頭部保護技術面臨的最大挑戰之一：除非人們被說服戴上它們，否則它們不會起作用。
或許讓板球運動員不願意佩戴頭盔的最大原因在於酷熱和潮濕。頭盔通常都有通風設計以利於降溫，但如何優化是另一個科學挑戰。一些研究人員在特殊的「出汗假人」上進行了實驗，以比較不同的設計方案。如今，研究人員可以在頭盔中嵌入溫度和濕度感測器，獲得比賽過程中「熱點」和「濕點」的實時映射。這類研究最終將使頭盔的溫度變得更低，即使在最熱的日子裡也更容易被運動員們接受。
解決抱摔難題
近年來，美式橄欖球的參與率有所下降，部分原因是有研究表明球員的腦部存在長期損傷。這一現狀也促使研究人員努力開發更好的頭部保護裝備。與自行車頭盔不同的是，由於橄欖球頭盔不能在每次碰撞後都更換，因此往往由硬殼與泡沫襯墊組成。
「大多數頭盔都能很好地減少力量傳遞。這就是顱骨骨折在橄欖球比賽中很少見的原因，」美國密歇根大學的機械工程師艾倫·阿魯達說，「它們做得不好的地方主要在於能量耗散。就減少大腦所受到的衝擊而言，能量耗散是必不可少的。」
關於如何保護美國職業橄欖球聯盟球員免受腦震蕩和大腦長期損傷的討論越來越多
艾倫·阿魯達的團隊正在研究一種新式頭盔設計，以解決這個問題。她說：「我們的方法將整個頭盔視為一個複合結構，包括一個或多個黏彈性層。」
黏彈性材料十分特別，它們儘管是固體，但在某些方面又像液體，可以流動並耗散能量。這種新型頭盔將採用一種為應對橄欖球比賽中的撞擊而專門開發的合成黏彈性聚合物。「我們的設計減少了傳遞至頭骨和大腦的力量和衝擊，從而減輕撞擊的影響，」阿魯達說道。
一些公司也在研究改進傳統頭盔設計的方法。Vicis公司生產的Zero1頭盔具有一個可變形的熱塑性外殼，在受到撞擊時的反應很像硬橡膠，可以吸收部分衝擊能量。頭盔內部是一層類似彈簧的「柱狀元素」，用來吸收來自不同方向的衝擊。就像用於自行車頭盔的Mips設計一樣，這有助於減少旋轉力。
旋轉損傷在美式橄欖球運動中是一種特殊的風險，但可以通過使頭盔變得光滑來減少撞擊傳遞到頭部的力量。加拿大西蒙弗雷澤大學的一個團隊正在測試可以應用在頭盔外部的貼紙。該貼紙由若干層薄膜組成，一次斜側撞擊就會導致外層自由滑動，使旋轉效應降低多達74%。不過，貼紙在受到嚴重撞擊後需要更換。
戰場上的保護
2018年，兩名警察在阿富汗東部的邁萬德營向一群美軍士兵開槍，導致一名陸軍參謀軍士長喪生。另一名在伏擊中受傷的士兵也可能在當天喪生。
上士史蒂文·麥奎因被一輛皮卡車後部的機關槍近距離擊中腦後部，衝擊力將他撞倒在地。令人驚訝的是，幾秒鐘後他又站了起來，重新開始戰鬥。子彈擊中了他麥奎因的頭盔，而頭盔吸收了衝擊力並阻止了子彈。這名士兵之所以能倖存下來，很大程度上要歸功於他頭上那頂具有非凡韌性的頭盔。這種頭盔被稱為「頭部綜合保護系統」。
現代戰鬥頭盔足以抵擋子彈
和戰場上的軍人一樣，軍用頭盔也面臨著一個獨特而不斷變化的挑戰，包括各種小塊、密集和高速的物體，特別是炮彈碎片和子彈。
20世紀早期，士兵們佩戴的是鋼盔。後來到20世紀70和80年代，鋼盔被凱芙拉頭盔取代，但古今，凱芙拉材料已經被聚乙烯取代。這裡說的不是飲料瓶和三明治包裝上的低密度聚乙烯，而是超高分子量聚乙烯。這種材料甚至可以在近距離攔截大口徑步槍子彈。
美國陸軍士兵防護裝備產品經理金傑?懷特海德中校表示：「從提供保護的程度上，UHMWP目前是用於頭盔的材料中最棒的。」
UHMWP由分子量比普通聚乙烯大一百倍的分子組成，可以紡成纖維，看起來和感覺上都與尼龍相似，但是卻能防彈。
為美國生產軍用頭盔的是3M公司，其防務產品開發高級經理瓦西里奧斯?布拉霍斯表示：「UHMWP的獨特之處在於它的強度和韌性。」
這裡的「韌性」是一個技術術語，既包括拉伸材料所需的力量，也包括材料在斷裂前的拉伸距離。UHMWP之所以能很好地攔截子彈，正是因為它有足夠強的拉伸性能，而且能吸收大量能量而不斷裂。
美國陸軍將在明年採用一種改進型的頭盔，作為下一代作戰頭盔，更好的防護材料也正在研製中。「UHMWP還相對年輕，沒有完全得到利用，」布拉霍斯說，「我們大約只開發了它60%的能力。」
然而，即使頭盔擋住了子彈，佩戴者仍然可能遭受鈍挫傷。西班牙巴倫西亞理工大學的工程師瑪爾塔·波羅瑪說：「這與其他鈍挫傷非常相似，比如被鎚子砸到的損傷。」只不過在槍擊情況下，鈍挫傷是由一個速度高達每秒幾百米的物體造成的。
當頭盔被子彈擊中時，會變形並向內彎曲。如果變形大於頭盔內表面與頭部之間的距離，則子彈就會穿過頭盔並擊中頭部，造成相對嚴重的創傷。如果頭盔更堅固、變形更少，則創傷的風險可能會降低，但這會增加子彈穿過頭盔的幾率。「從我們的角度來看，阻止頭盔被子彈穿透的重要性遠遠超過了任何鈍挫傷的風險，」布拉霍斯說道。
承受一部分鈍挫傷的風險被認為是目前最好的權衡之計。瑪爾塔·波羅瑪的團隊正在努力釐清這種危險並建立標準，包括建議為頭部較大者生產的頭盔不要減少襯墊的厚度。他們認為，應該根據佩戴者的頭部比例來增加頭盔的尺寸。其他研究人員也在開發更好的減震材料，試圖進一步減少頭部損傷。（任天）
