Существует несколько технологий, которые повышают уровень защиты велосипедного шлема. Поговорим сегодня о двух из них — MIPS и Koroyd.
MIPS (Multi-directional Impact Protection System) — это тонкий слой плотного полиэтилена, что располагается внутри купола шлема, который защищает голову велосипедиста от сотрясения мозга. Koroyd — это новейший материал из кополимерного сырья, представляет собой сетку из множества вертикальных полых трубок. Экструдированные трубки состоят из слоев различной толщины, которые в момент контакта сжимаются до 84% от начального размера, поглощая энергию удара. Принципы работы Koroyd и MIPS существенно отличаются друг от друга и могут сочетаться, чтобы эффективно уменьшить риск получить черепно-мозговую травму и в этом есть большое преимущество над шлемами из пенополистирола с его линейной характеристикой рассеивания кинетической энергии. Koroyd может полностью заменить пенополистирол в качестве каркаса шлема, а MIPS будет выполнять вспомогательную роль. При необходимости можно совместить все три технологии, чтобы добиться лучшего уровня защиты и такие продукты уже доступны на рынке.
Интересная вещь: впервые задумался над улучшением защитных свойств шлема человек, бесконечно далекий от велосипеда. Один из изобретателей MIPS, Ханс фон Хольст, нейрохирург из Госпиталя Каролинского Университета в Стокгольме, оперируя травмированных велосипедистов, начал задумываться над тем, что защитных свойств обычного пенополистиролового шлема не хватает. Такой шлем защищает от открытых черепно-мозговых травм, но вот лучшее свидетельство его недостатка: на операционном столе лежит человек, которому защиты не хватило. Остается опасность сотрясения мозга, поскольку в момент удара мозг бьется о стенку черепа и с этим надо что-то делать.
Фон Хольст начал работу над улучшением защиты в 1995 году и в процессе поиска грамотной реализации, сначала имел много безуспешных разговоров с коллегами в его области. Не имея квалификации в инженерном деле, нейрохирурги не могли предложить идеи, достойной воплощения и, в конце концов, высказали мнение, что по материальным воплощением фон Хольсту лучше обратиться в вуз, который находился неподалеку, в двух километрах от Госпиталя. Хирург отправился на поиски.
В свою очередь, Питер Халлдин, инженер из Королевского Института Технологий, специализировался на аэронавтике и, в принципе, мало задумывался над такими вещами, как безопасность велосипедиста. Встреча с фон Хольстом изменила его взгляды. Он убедился в необходимости присоединиться к разработке системы, которая улучшит защиту от травм, причем убедился настолько глубоко, что в процессе коллаборации с нейрохирургом поставил цель получить степень доктора философии — высшую ученую степень в Западном мире. Именно такого симбиоза не хватало доктору: у Халлдина была материальная база и понимание как правильно воплотить в жизнь идею нейрохирурга, а в фон Хольста было глубокое знание анатомии и многолетний опыт оперирования.
Идея была такая: на момент начала разработки, а это, напоминаю, был 1995 год, тестирование эффективности защиты шлемов включало в себя линейный сброс манекена головы в шлеме с высоты, или имитацию импактных нагрузок на станке. В теории, прямой удар самый трудный, но эта модель не учитывает кинематики движения тела велосипедиста в момент падения, ведь она существенно отличается от кинематики прямого удара. Прямой удар концентрирует нагрузку в маленькой точке, однако аварии такого характера на велосипедах редкость. Фон Хольст задумал усложнить тест сбросом головы манекена на платформу, что движется, чтобы понять, какие зоны мозга страдают от касательного удара и как происходит рассеивание кинетической энергии при этом. Такой вид аварии опасен тем, что в дополнение к банальному сотрясению, касательный удар увеличивает риск образования субдуральной гематомы и натяжения и разрыва аксонов — частых последствий автомобильных ДТП или физического насилия.
Результаты тестов поразили. Легкого касательного удара хватает, чтобы знакопеременные векторы привели к тяжелой травме. Идея, заложенная в принцип работы MIPS, пришла в голову Халлдину, когда он прочитал в анатомической литературе о скольжении мозга внутри черепной коробки и решил по аналогии к физике процесса найти способ задемпфировать удар. Идея заключалась в том, чтобы поместить слой из материала с низким коэффициентом трения между куполом шлема и головой велосипедиста. В момент столкновения слой скользит, рассеивая энергию удара. Это была лишь одна из многих мыслей, на которую не делали серьезную ставку, но когда первые тесты показали обещающие результаты, ее взяли в оборот. У шведов не было нужного оборудования для проведения расширенных тестов и они попросили помощи в Бирмингемском Университете.
Тесты в коллаборации с экспертом по шлемам доктором Найджелом Миллсом подтвердили правоту этой идеи. Размещение скользящего слоя между куполом и головой манекена показало 50% снижение риска сотрясения мозга от касательного удара. Первые тесты проводились на мотоциклетном полицейском шлеме и показали существенное уменьшения риска получения травмы. Фон Хольст и Халлдин подали заявку на патент на MIPS в 2002 году и получили его годом позже.
С самого начала технологией интересовалось много людей, преимущественно конечных пользователей, однако по иронии судьбы, инвесторы не торопились вкладывать деньги в развитие MIPS. Шведам пришлось пройти долгий путь, прежде чем изобретение стало приносить деньги. Только последние 2,5 года технология приносит существенную прибыль.
MIPS разрабатывается под конкретную модель и размер шлема, чтобы совпадали форма и расположение вентиляционных отверстий, а также, чтобы защитный слой был эргономичным и не мешал. Шведы тесно сотрудничают с представителями брендов, чтобы разумно интегрировать защиту в конструкцию конкретной модели. Существуют универсальные модели MIPS, которые можно прицепить к любому шлему, но тогда он станет плохо продуваться и производитель не советует прибегать к такому решению, ведь в большинстве случаев это приведет к тому, что шлем перестанет удобно сидеть на голове.
Изобретатели не останавливаются на достигнутом. Ханс фон Хольст говорит, что им удалось снизить риск тяжелой травмы на 50%, но остается еще 35% энергии, которая проходит сквозь два слоя защиты в ткани мозга. И решения они планируют найти в течение 10-20 лет, не смотря на почтенный возраст ученого. Ему сейчас 70.
Не следует, видимо, ждать так долго и возлагать ответственность за развитие технологии на 70-летнего нейрохирурга, ведь фон Хольст и Халлдин не единственные, кто делает попытку улучшить уровень защиты спортинвентаря. Им может стать новейший материал под названием Koroyd.
Видимо, у вас возникнет ощущение дежа вю, ибо технологию Koroyd изобрел опять-таки человек бесконечно далекий от велосипеда.
Изобретатель Koroyd Петер Саджич работал над созданием поглощающего удары материала для аэрокосмической индустрии. В результате глубокого анализа авиакатастроф он пришел к выводу, что большинство смертей происходила не через само по себе столкновение самолета с поверхностью, а из-за того, что от удара кресла отрывались из креплений, катапультируя пассажиров по всему салону. Саджич задумался над разработкой материала, который смог бы эффективно абсорбировать кинетическую энергию и результатом его работы стала сотовая структура, которая вроде запрограммированных зон деформации в автомобилях рассеивает энергию удара. Сначала технологию планировали ввести в конструкции кресел, но ее поглощающие способности стали полезными также в производстве спортивного инвентаря.
Koroyd представляет собой сеть из двустенных поликарбонатных трубок, которая внешним видом напоминает пчелиные соты. В момент столкновения структура сминается до 84% от начальной формы, словно пустая алюминиевая банка под ногой. Внутренняя трубка имеет сравнительно толстые стенки и служит каркасом конструкции, а внешняя имеет толщину всего 90 микрон и из-за того, что ее температура плавления ниже, приходится применять хитрый метод соединения композита: заранее сформированные трубки вставляются одна в другую и сквозь них пропускают горячий пар. Трубки свариваются вместе и образуется гомогенный композит с одинаковыми свойствами от элемента к элементу, почти без вариаций, что позволяет очень точно рассчитать предельные нагрузки для конкретного изделия, будь то шлем или иной элемент защиты.
На выходе имеем материал, имеющий коэффициент поглощения до 35% выше в сравнении с пенополистиролом. Именно этих цифр не хватает системе MIPS для снижения вероятности получения тяжелых травм на скоростях, доступных велосипедисту. Несколько лет назад эти системы, наконец, соединились в одном продукте.
По характеру деформации можно восстановить параметры события. Именно здесь в макроскопическом масштабе понадобится сопромат.
Характер деформации трубок может сыграть решающую роль в сборе статистики аварий с велосипедистами. Запрограммированные на смятие, они показывают куда именно пришелся удар, как произошло рассеивание кинетической энергии и даже насколько мощной она была. К сожалению, трещины в пенополистироловых шлемах этой информации не предоставляют. Когда Saab и Volvo на место ДТП отправляли своего специалиста для расширения понимания последствий ради дальнейшего развития систем безопасности. Теперь и у разработчиков спортивной экипировки есть замечательная возможность изучать характер столкновений по деформации трубок, чтобы улучшить защиту головы.
Диаметр трубок можно сделать какой угодно, подстраивая конструкцию для определенных условий использования. Листы материала легко формируются, с той лишь ремаркой, что в готовом шлеме трубки будут направлены к центру сферы. Это имеет как плюсы, так и минусы.
В момент столкновения Koroyd сгибается, словно пивная банка, рассеивая кинетическую энергию удара.
На одной чаше весов — способность одинаково поглощать удар в любой зоне, независимо от формы шлема. Koroyd имеет меньший вес, чем пенополистирол. Специфическое направление трубок оценят лысые люди (для которых использование мультифукнциональних головных уборов почему-то не является удобным или желательным), которые летом в солнечный день получают солнечные ожоги. Также теоретически улучшается вентиляция, поскольку теперь весь шлем, а не только определенные его зоны, может продуваться, и весь пот будет выходить наружу без препятствий. Но…
На другой чаше весов — та же вентиляция, точнее ее практическое отсутствие. На первый взгляд, вентиляция должна быть отличной, но в реальности форма трубок вызывает срыв набегающего потока и хотя толщина материала в шлеме ограничивается десятками миллиметров, этого хватает, чтобы воздух так и не нашел пути к кожи головы. Таким образом, открытые трубки будут работать только как отдушина для пота. Также в дополнение к периодической стирке подложек, шлем из материала Koroyd придется регулярно мыть под струей воды.
Видимо, Саджичу повезло чуть больше с инвестициями, чем шведам. В 2007 году Джон Ллойд, владелец семейного бизнеса по производству мотоциклетных шлемов, стал первым, кто оценил преимущества материала Koroyd над пенополистиролом и стал делать попытки внедрить этот материал на рынке мото-экипировки, но безуспешно, поэтому в конце концов переформатировал эту идею в производство велосипедных шлемов.
Американская компания по производству спортивных очков и снаряжения Smith Optics была первой, которая соединила материал Koroyd с слоем защиты MIPS. Первым таким шлемом стал Forefront для МТБ, который появился на рынке в 2013 году. Сейчас у них есть целая линейка горных, шоссейных и лыжных шлемов с обоими достижениями современной инженерии. Шлемы от Smith Optics сочетают сразу три технологии, включая в себя пенопласт, но высокая цена и пока что нерешенный вопрос плохой вентиляции приводят к появлению довольно резких отзывов, которые отталкивают потенциального покупателя, даже если он полностью убежден в преимуществах технологического шлема над обычным. К американцам присоединились итальянцы UFO и шведы POC, которые пока что не выпускают шлемы в сочетании Koroyd+MIPS, но уже продают элементы защиты и одежду с сотовыми вставками.
Шлем из материала Koroyd и слоем MIPS стоит довольно серьезных денег — около $300, но в отличие от пенопластовых моделей за 300 баксов, которые обеспечивают тот же уровень защиты, что и 10-долларовый шлем (не надо сказок, пожалуйста, вот статистика), такой элемент защиты станет тем, чем были когда-Saab и Volvo. Никто не мог понять, почему Saab стоит так дорого, пока не разбивал его вдребезги.
