トレックの新しい自転車用ヘルメットは脳の保護液を模倣している

サイクリングには、フレーム、コンポーネント、さらにはライクラベースかどうかにかかわらず、ウェアなど、研究すべきギア関連のトピックがほぼ無限にあります。残念ながら、熱心なライダー向けのヘルメットには、通常、同じ種類の製品のウサギの穴はありません。転倒したときに路上で脳をぶつけたくないためにヘルメットを購入するのですが、ほとんどのヘルメットはほぼ同じ方法でそれを達成しています。

しかし、ここ数十年で研究者たちは頭部の怪我、特に脳震盪が起こる仕組みについて理解を深め始めています。同時に、ヘルメットメーカーは新たな知識を活用して革新を進め、転倒時に単にアスファルトに叩きつけられる以上の衝撃を考慮したモデルを生み出しています。その最新のものは、自転車大手トレックがWaveCelという技術を採用した新しいヘルメットです。主要部品はハニカムスタイルのインサートで、競合製品とは異なり、危険な脳震盪の大きな原因である回転エネルギーを吸収します。新しいヘルメットには4つのデザインがあり、価格は最も安いCharge WaveCel Commuter HelmetとSpecter WaveCel Road Helmetの150ドルから、最も高いWaveCel Road HelmetとBlaze WaveCel MTB Helmetの300ドルまであります。

エネルギーを吸収する

市販のヘルメットのほとんどは、発泡ポリスチレン（EPS）と呼ばれる軽量で硬い断熱フォームで怪我を防いでいます。この技術は 1960 年代後半にヘルメットに採用され、それ以来ずっと定番となっています。実際、このフォームは一般的な発泡スチロールのクーラーボックスやポップコーンの包装に見られるものと似ていますが、品質ははるかに優れています。

自転車に乗っていて頭を何か硬いものにぶつけた場合、頭蓋骨のどの部分からも力が逸らされ方向が変えられるため、頭蓋骨に当たるエネルギーの量が減ります。入ってくるエネルギーの方向を変えたり動かしたりするほど、衝撃が可能な限り均等に分散される可能性が高くなります。正しく行えば、この方法は転倒時に頭蓋骨にひびが入るのを防ぐのにかなり効果的です。

しかし、発泡スチロールのようなヘルメットは、完璧とは程遠いものです。実際、それらは「一度きり」の技術として使われることが多いのです。衝突すると、外側のシェルが割れ、EPS フォームが衝撃を代わりに受け止めます。さらに、内部のフォームは元に戻らないか、損傷の程度がわかりません。そのため、ヘルメットが頭部に与える保護は、一撃だけに限られます。

さらに近年、研究者たちは、衝撃を受けた地点でエネルギーを分散させるだけでは脳震盪を防ぐ最適な方法ではないことも発見しました。EPS ヘルメットは主に直線方向にエネルギーを吸収します。しかし、自転車から落ちるときにいつもそうであるとは限りません。むしろ、頭が回転したり旋回したりすることが多く、この回転型の脳震盪が最も危険です。脳内では、脳脊髄液 (通常は脳の自然なクッション) が移動し、頭が保護されていない状態で揺れ動き、内部の繊細な神経を刺激し、損傷する可能性があります。

2001 年、スウェーデン王立工科大学の研究者が、多方向衝撃保護システムの頭文字をとって MIPS と呼ばれる技術を開発しました。簡単に言えば、MIPS 技術は、体内の自然な脳脊髄液に似た仮の層として機能します。フォーム ヘルメットのように直接または直線的な力の衝撃を軽減するのではなく、MIPS は角度のある衝撃による回転力の衝撃を方向転換します。MIPS は基本的に薄いライナーです。これをヘルメットのハード シェルとの間に置くと、低摩擦層が形成され、ヘルメットが体内の自然な流体クッションのように前後にスライドできるようになります。

これは非常に重要だと分かりました。研究者らは、斜めからの衝撃は直線的な衝撃よりも脳に与えるダメージがはるかに大きいことを発見しました。トレックは、新しい自転車用ヘルメットはその技術をさらに一歩進めていると主張しています。従来の MIPS (および EPS フォーム) では、ヘルメットは入射エネルギーを再分配することで衝撃を軽減します。これは、頭蓋骨 (および脳) の 1 つの領域が衝撃の大部分を受けるのを防ぐのに効果的ですが、それでもエネルギーの負担の大部分が頭部にかかってしまいます。その代わりに、トレックは回転エネルギーを単に再分配するのではなく吸収する、MIPS のようなスリップ インサートの作成を目指しました。同社の新しいライナー (WaveCel と呼ばれる) は、2 段階の回転エネルギー吸収を備えた独自のハニカム デザインによってこれを実現します。

エネルギー吸収の2つの手段

最初、WaveCel インサートは MIPS とほぼ同じように機能します。EPS ヘルメット内で、低摩擦表面を介して自由に動きます。しかし、Trek チームが発見したのは、落下が一定の高エネルギー衝撃に達すると、インサートと EPS ヘルメットの間に摩擦が生じ始めるということでした。最終的には、インサートが回転エネルギーを逸らすことができなくなるほどの抵抗が生じます。つまり、物事が詰まってしまい、脳に過剰なエネルギーが伝わり始めます。「負荷が非常に高くなり、最終的に十分な摩擦が生じて層が動かなくなることがわかったのです」と、Trek の研究開発エンジニアであるトニー・ホワイトは言います。その点に達すると、WaveCel の新技術は、エネルギーが蓄積し始めると回転方向に吸収することで、摩擦が蓄積するのを防ぎます。

これはすべて、せん断と呼ばれる非常に巧妙な物理概念によって実現されます。摩擦が大きくなり始めると、WaveCel スリップを構成する材料は平行に、しかし反対方向に動きます。これにより、摩擦が大きくなることはありません。トランプのデッキに例えることができます。すべてのカードがくっついている状態で、デッキに対して十分な直接的な角度の力を加えると、デッキにへこみができ始めます。しかし、カードが互いにくっついていない一般的なデッキでは、力を加えると、カードは前後に滑り、摩擦やへこみは生じません。

つまり、自転車が頭部に衝突したときのようにエネルギー負荷が増加すると、滑りが滑りにくくなります。しかし、WaveCel では、エネルギー負荷が増加し続けても、新しい技術が滑り、圧縮し、せん断し続けるため、より高いレベルのエネルギー衝撃に対してもその利点が引き続き得られます。

このユニークなせん断能力は、WaveCel のスリップ デザインによるものです。ハニカムに似ており、まっすぐな壁ではなく三角形の断面を持っています。「これにより、確実に押しつぶすことができ、また、負荷がかかったときに横方向にせん断することもできます」とホワイト氏は言います。

WaveCelの性能

WaveCel 技術がいかに優れているかはさておき、本当の問題は、それが標準的な EPS フォーム ヘルメットや MIPS と比べてどれほど優れているかということです。昨年 12 月に雑誌「 Accident Analysis and Prevention」に掲載された研究で、著者 (WaveCel 技術の共同発明者も含む) は、直接直線加速、回転加速、回転速度など、さまざまなシナリオで標準的な EPS ヘルメット (対照として機能) と WaveCel ヘルメット、および MIPS 技術を搭載したヘルメットを比較しました (もちろん、すべて実際の衝突シナリオを模倣するシミュレーションを使用しています)。

MIPS と WaveCel のスリップはどちらも、直線加速と回転加速の両方の影響を軽減しました。直接比較されたことはなく、EPS フォーム コントロールとのみ比較されましたが、MIPS と WaveCel の技術はどちらも、標準のフォーム ヘルメットよりも優れたパフォーマンスを発揮しました。ただし、直線加速では MIPS 技術がコントロールよりも優れたパフォーマンスを発揮しませんでした。

トレックは独自のテストにより、同社の新型ヘルメットは一般的な自転車事故による脳震盪の予防に標準的なEPSフォームより48倍効果的であると主張している。著者のいずれもが技術に関係していない独立した研究はまだ完了しておらず、MIPSと新しいWaveCelタイプとの独立した直接比較もまだ完了していない。

しかし、レクリエーションサイクリングを含むさまざまなスポーツのヘルメットに対する公平な消費者評価システムを作成する独立機関であるバージニア工科大学のヘルメットテストグループによる外部テストでは、ヘルメットの全体的な生体力学的性能、つまり怪我のリスクを軽減する全体的な能力がテストされました。

「私たちは研究室でこうしたテストを行っていますが、実際の環境で自転車に乗る人が頭を打つ様子に基づいています」とバージニア工科大学のヘルメット評価システムの開発に携わった大学院生で研究助手のメガン・ブランド氏は言う。「このヘルメットは私たちの評価システムで5つ星を獲得しました。これは最高評価です」。彼女によると、私たちのシステムとは異なり、多くの評価システムは斜めの衝撃ではなく直線の衝撃のみをテストする。しかし、脳震盪を引き起こす可能性があるのは斜めの衝撃だ。特にここ数年で、脳震盪やその他の脳損傷に寄与する要因について理解が深まりました、とブランド氏は言う。同様に、研究室ではこれらの衝撃をより現実的にモデル化して研究する方法を学んだと彼女は言う。「今では、回転力が脳震盪を引き起こす大きな要因であることがわかっています。ですから、それをテストに組み込むことができるとわかったのです」

ブランド氏によると、これらすべての情報は、アスリート、特にフットボール選手を対象に行われた約7年間の研究の結果として得られたもので、頭部への衝撃データを収集し、それを傷害診断と比較することで、どのような種類の頭部への衝撃がどのような頭部傷害につながるのかを正確に特定し、そして最も重要なこととして、MIPSやWaveCelヘルメットなどのさまざまな新しい技術の進歩がこれらの傷害を最も効果的に防止する方法を突き止めたという。

研究が進むにつれて、研究者や企業は技術をさらに改良して、さらに安全なものにすることができます。また、脳の働きについてさらに理解を深めることも役立ちます。結局のところ、これらの新しい技術の進歩は、私たちの脳自身の防御機構を模倣し、わずかに強化しているに過ぎません。