越來越多的自行車愛好者走上城市街頭，這也增加了自行車車禍的風險。NTU機械與航空航天工程學院的研究人員與法國特殊材料公司Arkema合作，開發了一種使用複合材料的、更堅固安全的自行車頭盔。
新型頭盔開發人員， 圖片來源：NTU官網
隨著世界各地城市選擇加強自行車道建設，越來越多的自行車愛好者走上街頭，自行車事故和潛在碰撞的可能性也隨之增加。在人口稠密的城市地區，確保自行車行駛安全至關重要。
南大研究人員正在針對這個課題貢獻屬于自己的力量。NTU機械與航空航天工程學院的研究人員與法國特殊材料公司Arkema合作，使用多種材料組合開發了一種更堅固、更安全的自行車頭盔。新頭盔具有更高的能量吸收能力，降低了事故時嚴重受傷的可能性。
已發表文章，來源：NTU官網
新頭盔更好地保護騎行者
根據世界衛生組織 2020 年的一份報告，與自行車有關的死亡和長期殘疾中，有 60% 以上是頭部受傷事故造成的。
在機械與航空航天工程學院Leong Kah Fai副教授的帶領下，該團隊由研究員 Bhudolia Somen Kumar 博士、研究員 Goram Gohel 和理學碩士生 Elisetty Shanmuga 組成，設計了一種複合材料頭盔。外殼主要由新材料制成，這種材料是一種丙烯酸熱塑性樹脂，並利用碳纖維增強。
這種名爲Elium的新型熱塑性樹脂由南大的行業合作夥伴之一Arkema開發。NTU團隊與Arkema工程師合作，爲 Elium 開發了一種成型工藝，以制造更堅固的自行車頭盔。
新型頭盔， 圖片來源：NTU官網
“我們與Arkema的合作，希望開發一種對騎自行車者來說，更堅固、更安全的新型頭盔的願望，”Leong 副教授說。“頭盔已經一次又一次地被證明在減少傷害的嚴重程度和死亡人數方面發揮著關鍵作用。我們的頭盔經過了一系列國際基准測試，並證明了與傳統頭盔相比，它能夠爲騎自行車的人提供更好的保護。”
未來，更高效的制造能夠推動這種頭盔批量化生産。Elium 在環境溫度下是液體，因此它可以在室溫下成型，而不是其他需要更高溫度加工的熱塑性複合材料外殼。
NTU研究人員正在與Arkema合作，將頭盔的制造過程商業化。Leong副教授表示，通過他們的方法生産的頭盔將提供與當前頂級頭盔相同的保護，但價格可能與中級頭盔（100-150 美元）相當。
更堅固，更安全
這個更堅固、更安全的自行車頭盔由兩個部分組成。
首先是外殼，通常由大量生産的塑料制成，如聚碳酸酯。在它下面是一層發泡聚苯乙烯泡沫——與産品包裝和外賣盒中使用的材料相同。外殼的設計，幫助整個頭盔在破裂時更好的消散能量。
接著，是泡沫層壓縮，並吸收大部分沖擊能量，從而減少傳遞到頭部的能量。
該團隊的複合材料頭盔用碳纖維增強的 Elium 頭盔取代了傳統的聚碳酸酯外殼。這種加固使外殼比聚碳酸酯外殼更堅固、更堅硬且不易碎。它還增加了頭盔的接觸時間，即頭盔承受沖擊載荷的總沖擊時間。
這些特性使外殼能夠在更長的時間內吸收更多的沖擊能量，同時還能將其均勻地分散到整個頭盔中。這導致到達頭部的整體力更小，從而減少了嚴重受傷的機會。
頭盔硬度測試，圖源：Twitter
“當頭盔高速撞擊表面時，我們注意到隨著複合材料外殼的擴展破壞而發生變形，這意味著外殼承受更多的負載並吸收更多的能量，” Somen 博士說。“這是我們希望的結果——外殼吸收的沖擊力越大，到達泡沫的沖擊力就越少，因此對頭部的整體沖擊力就越小。我們發現，在現有的聚碳酸酯頭盔中，大約 75% 的能量被泡沫吸收。這並不理想，因爲泡沫與人的頭部直接接觸。”
相比之下，該團隊的複合頭盔外殼吸收了 50% 以上的沖擊能量，而泡沫吸收的能量則少得多，約爲 35%。
研究人員參考了最廣泛使用的傷害指標，即頭部傷害標准 (HIC)，以計算使用頭盔時發生嚴重傷害和死亡的概率。HIC 值來自峰值加速度值和加速持續時間的組合。
該團隊對平砧測試結果和 HIC 的分析表明，與聚碳酸酯頭盔相比，複合頭盔有可能將危重和致命傷害率分別從 28.7% 和 6% 降低到 16.7% 和 3%。
盡管兩種頭盔的峰值加速度大致相等，但複合材料頭盔更堅固的外殼導致撞擊期間的加速持續時間更長。這使得外殼能夠吸收更多的能量，從而産生較低的 HIC，這意味著發生嚴重和致命傷害的幾率較低。
參考文獻：
1. NTU Singapore scientists develop tougher, safer bicycle helmets using new plastic material.
2. Paper titled “Development and impact characterization of acrylic thermoplastic composite bicycle helmet shell with improved safety and performance”, published in Composites Part B: Engineering, 25 May 2021.
