在我们的日常生活中，头盔随处可见。它们如何保护我们脆弱的大脑？新浪科技新闻北京时间7月6日消息，头部受伤和脑震荡可能会带来可怕的后果，甚至可能影响生命。我们能找到保护大脑的完美方法吗？
大脑是我们脆弱而珍贵的资产，包裹在颅骨厚厚的骨壳里。在很大程度上，头骨保护大脑免受日常生活中各种可能的伤害。在这个“盔甲保护层”下，有几层保护膜和脑脊液为大脑提供缓冲。
然而，有时仅仅保护骨骼是不够的。对头部的一击将导致头骨破裂，这将损害大脑内部。重重的一击也会使这个柔软的器官在头骨中来回晃动。当大脑碰到坚硬的头骨时，它的软组织很容易被损坏。
我们的大脑是一个脆弱的器官，被坚硬的头骨保护着，但有时它需要额外的保护，比如运动场上的碰撞、自行车事故、建筑工地上的跌倒或滑倒，以及战场上的受伤。所有这些情况比日常行为对大脑的威胁更大，所以我们需要对大脑的额外保护。头盔是最常见的保护方式。然而，头盔不仅应该是厚的保护壳，而且必须与使用场景相匹配，并尽可能提供最佳的保护效果。
随着先进新材料和创造性思维的发展，新一代防护头盔使我们脆弱的大脑更加安全。
自行车骑行头盔
自行车头盔的主要功能是防止头部和地面直接碰撞。我们很少需要头盔，但是当他们需要的时候，他们很可能成为救星。然而，在自行车圈里，关于是否有必要戴头盔的争论仍在继续。一些研究表明，司机开车时会更靠近戴头盔的骑车人，而其他研究发现，只要戴头盔，骑车人就会更有安全意识。在仔细研究了头盔在事故中的实际作用后，英国诺丁汉大学的生物工程师唐纳麦克纳利得出了一个不容置疑的结论。
如果骑车人摔倒或与车辆相撞，繁忙的道路环境将使他们面临各种危险。麦克纳利说：“我做了相当多的实验来模拟真实的骑行冲击，结果显示头盔有很好的保护，尤其是对儿童。”
尽管大多数头盔重量轻，但它们的效果非常好。头盔的外壳由硬质材料制成，如碳纤维或聚碳酸酯，可以分散冲击力。头盔通常被设计成“蛋壳”的形状，在碰撞时会下垂，吸收能量，就像汽车的碰撞缓冲区一样。头盔内有一层膨胀聚苯乙烯，在撞击过程中会永久变形并吸收能量，进一步减少对佩戴者头骨的冲击。发泡聚苯乙烯，俗称聚苯乙烯泡沫，是聚苯乙烯的高质量版本。随处可见的一次性泡沫饭盒是由聚苯乙烯制成的。
麦克纳利亲自体验过自行车头盔的功能。2010年，他在骑自行车时被车撞倒，受了重伤。根据他自己的研究结果，麦克纳利认为如果没有头盔，他的伤势会更严重。他曾经在课堂上给学生看损坏头盔的照片。“那个头盔救了我的命，”麦克纳利说。
就对大脑的影响而言，由某一角度的冲击引起的旋转运动是一个特殊的挑战，它将导致大脑在短时间内旋转和扭曲。这极具破坏性。这就是为什么拳击中的击倒更有可能来自侧面或下方的攻击，因为与直拳不同，以这些角度击球会导致头部旋转。
麦克纳利说：“在许多情况下，这不是一个影响因素，但对于某些类型的碰撞，如被卡车的后视镜撞上，旋转运动造成的损害可能非常严重。”
许多新头盔现在配备了“多方向碰撞保护系统”，这有助于防止旋转运动造成的伤害。这个头盔是瑞典神经外科医生在2000年首次开发和测试的。当头盔被击中时，外壳和头盔内衬之间的一层材料会滑动，导致头盔的外部旋转约一厘米，从而转移可能被击中的大脑部分。
另一种新的头盔安全技术，称为WaveCel，使用蜂窝结构。当受到冲击时，头盔衬垫的几层材料将独立移动和弯曲，吸收旋转运动和冲击力。这项技术的开发者已经进行了一系列的测试，测试显示标准头盔有59%的几率受到旋转伤害，Mips头盔的伤害率降低到34%，WaveCel头盔只有1.2%的几率受到伤害。然而，Mips头盔制造商认为这些数据是有争议的。弗吉尼亚理工大学的一项独立评估发现，Mips头盔设计提供了略好的保护效果。
然而，尽管目前的自行车头盔在保护头骨方面可能非常有效，但是面部损伤的问题还没有解决。2019年，卫生部的一项统计研究发现，14%的自行车事故与面部受伤有关，戴头盔对此没有影响。作者建议未来的自行车头盔应该包括某种形式的面部保护。目前，一些极端的越野骑自行车者戴着装有盔甲或面罩的头盔，但和过去一样，公众在日常骑行中戴上这些装备并不容易。
安全帽
在建筑工地随处可见黄色头盔，来访的政治家们拍照时会特别戴上。这种安全帽的设计目的是防止坠落物体的冲击，以及建筑工地上低梁和其他危险物体的碰撞或擦伤。安全帽通常由热塑性塑料或聚碳酸酯制成，内部有一个悬挂的顶部带，在头部和帽壳之间保持30毫米的间隙，从而减少冲击传递到头骨的机会。
然而，在汗流浃背的建筑工地，这些头盔可能会变热，使工人感到不舒服，有些人会脱下头盔。增加通风孔也会削弱安全帽的外壳。因此，印度韦罗勒技术研究所的一个研究小组希望通过一些内置空调来解决这个问题。他们设计了一个安全帽，其中包括一个由石蜡基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，让穿着者保持几个小时的凉爽。
该大学的另一个研究小组正在研究减震的替代材料。安全帽通常由合成纤维(如凯夫拉尔纤维或碳纤维)增强的聚合物树脂制成，但研究人员正在研究用天然纤维代替它们，这种纤维更容易获得，生产起来也更环保。他们发现黄麻纤维有很大的潜力，可以作为一种替代材料来提高安全帽的强度。黄麻纤维常用于麻袋、绳索和地毯。
板球头盔
板球对人们的头部构成了极大的威胁。板球重约160克。它的中心是一个软木球，最外层用皮革包裹。游戏中的击球速度可以达到每小时161公里。被这样的球击中很容易导致颅骨骨折或颌骨骨折，如果撞击位置不对，也会导致失明。在最坏的情况下，它甚至会导致死亡。所有这些意味着头盔和板球中的面具一样重要。现代板球头盔包括一个笼子状的面具和一顶保护头骨的安全帽。
2013年，英国引入了防护面具射弹测试的新标准。现在，像马苏里这样的板球头盔制造商将使用空气炮向头盔发射板球来证明他们的表现。他们还加强了面部保护，并发现偏转球比阻止球完全击中更有效。
被时速高达160公里的蟋蟀击中头部或面部可能会造成致命伤害。“击球手会自然移动，以避免来自球的任何冲击，”马苏里首席执行官山姆米勒说。“面罩与面部有一定的距离，这样可以使球偏转，从而保护佩戴者免受冲击，而不会损害可见度和机动性。”
他们在面具上安装了一个双杠格栅，就在眼线的下方，一个杠稍微在另一个杠的后面。米勒说：“后杆将迫使球飞向帽沿的坚固部分，使球远离球员的脸。”。这种设计不仅提供了高水平的保护，而且不妨碍视线，使它逐渐受到国际板球运动员的欢迎。然而，尽管强化塑料外壳可以保护头骨，额外的保护是必要的，尤其是当球可能从后面飞来的时候。
2014年，澳大利亚板球运动员菲利普休斯(philip hughes)试图接球时，被不规则弹跳的板球击中颈部，导致脑出血，两天后死亡。他的死促使板球头盔配备了颈部保护装置，为后脑勺和其他部位提供了额外的保护。例如，由马苏里开发的百部卫士是一个夹在头盔格栅后面的附件，用来保护头部和颈部的后部。Stemguard由热塑性聚氨酯蜂窝材料制成，碎泡沫也用于增强冲击缓冲。
然而，目前这种颈部保护只是一种额外的选择。澳大利亚板球运动员史蒂夫史密斯在最近的灰烬杯(英格兰和澳大利亚之间的一系列比赛)中被时速148公里的球击中，导致脑震荡。当时，他没有戴护颈器。这个例子强调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，否则它们不会工作。
也许板球运动员不愿意戴头盔的最大原因是酷热和潮湿。头盔通常通风降温，但如何优化它们是另一个科学挑战。一些研究人员对特殊的“出汗假人”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，以获得比赛期间“热点”和“湿点”的实时地图。这种研究最终会使头盔的温度降低，即使在最热的日子里，这也更容易被运动员接受。
解决抱摔难题
近年来，美国足球的参与率下降了，部分原因是一些研究表明球员有长期脑损伤。这种情况也促使研究人员开发更好的头部保护设备。与自行车头盔不同，足球头盔在每次碰撞后都无法更换，所以它们通常由硬壳和泡沫垫组成。
“大多数头盔能很好地减少能量传输。这就是为什么在足球比赛中很少看到颅骨骨折，”美国密歇根大学的机械工程师艾伦阿鲁达说。“他们表现不佳的主要原因在于能量耗散。就减少对大脑的影响而言，能量耗散至关重要。”
越来越多的讨论是关于如何保护国家橄榄球联盟的球员免受脑震荡和长期脑损伤。艾伦阿鲁达的团队正在研究一种新的头盔设计来解决这个问题。她说：“我们的方法将整个头盔视为一个复合结构，包括一个或多个粘弹性层。”
粘弹性材料非常特殊。虽然它们是固体，但在某些方面像液体，可以流动和耗散能量。这种新头盔将使用一种合成粘弹性聚合物，这种聚合物是专门为处理足球比赛中的冲击而开发的。“我们的设计减少了传递到头骨和大脑的力和冲击，从而减少了冲击，”阿鲁达说。
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头盔有一个可变形的热塑性外壳，当受到冲击时，它会像硬橡胶一样反应，并能吸收一些冲击能量。头盔内部有一层像弹簧一样的“柱状元件”，用来吸收来自不同方向的冲击。就像自行车头盔的Mips设计，这有助于减少旋转力。
旋转伤害在美式足球中是一种特殊的风险，但是它可以通过平滑头盔来减少传递到头部的冲击力。加拿大西蒙弗雷泽大学的一个小组正在测试可以贴在头盔外面的贴纸。贴纸由几层薄膜组成，一个倾斜的侧面碰撞将导致外层自由滑动，从而减少高达74%的旋转效应。然而，在受到严重冲击后，贴纸需要更换。
战场上的保护
2018年，两名警察在阿富汗东部迈万德营地向一群美国士兵开枪，打死一名陆军参谋长。另一名在伏击中受伤的士兵可能在同一天死亡。
上士史蒂文麦昆在近距离被一辆皮卡车后面的机枪击中，被撞倒在地。令人惊讶的是，几秒钟后，他又站了起来，开始再次战斗。子弹击中了麦昆的头盔，头盔吸收了冲击力，挡住了子弹。这名士兵的幸存很大程度上是由于他头上的头盔异常坚韧。这种头盔被称为“综合头部保护系统”。
现代战斗头盔可以抵挡子弹。就像战场上的士兵一样，军用头盔也面临着一个独特的和不断变化的挑战，包括各种小的、密集的和高速的物体，尤其是炮弹碎片和子弹。
在20世纪早期，士兵们戴着头盔。后来，在20世纪70年代和80年代，头盔被凯夫拉尔头盔所取代，但是在古代和现代凯夫拉尔材料已经被聚乙烯所取代。我们在这里谈论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中校金杰怀特黑德说：“就提供防护而言，超高分子量聚乙烯是目前头盔的最佳材料。”
超高分子量聚乙烯由分子量比普通聚乙烯大一百倍的分子组成。它可以被纺成纤维。它看起来和感觉都类似于尼龙，但它是防弹的。
是3M公司为美国生产军用头盔。国防产品开发高级经理瓦西里奥斯本说：“超高分子量聚乙烯的独特之处在于它的强度和韧性。”
这里，“韧性”是一个技术术语，它不仅包括拉伸材料所需的力，还包括材料断裂前的拉伸距离。超高分子量聚乙烯之所以能很好地拦截子弹，是因为它具有足够强的拉伸性能，能吸收大量能量而不断裂。
美国陆军明年将采用一种改进的头盔作为下一代作战头盔，更好的防护材料正在开发中。“超高分子量聚乙烯仍然相对年轻，没有得到充分利用，”布拉霍斯说。"我们只开发了它60%的容量."
然而，即使头盔挡住了子弹，佩戴者仍可能遭受钝伤。西班牙巴伦西亚理工大学的工程师玛尔塔波罗马说：“这和其他钝器伤非常相似，比如锤子造成的伤。”只有在射击的情况下，挫伤是由一个物体以每秒几百米的速度造成的。
当头盔被子弹击中时，它会变形并向内弯曲。如果变形大于头盔内表面和头部之间的距离，子弹将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，受伤的风险可能会降低，但这将增加子弹穿过头盔的可能性。“从我们的角度来看，防止头盔被子弹穿透的重要性远远超过任何钝伤的风险，”布拉斯说。
承担部分钝性创伤的风险被认为是目前最好的权衡。玛尔塔波罗玛的团队正在努力澄清这种危险并建立标准，包括建议为头部较大的人生产的头盔不要减少衬垫的厚度。他们认为头盔的尺寸应该根据佩戴者头部的比例来增加。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受伤。(任何一天)
