随着世界各地城市扩大自行车道网络，越来越多的自行车手走上街头，自行车事故和潜在碰撞的几率也在增加，这突显出在人口密集的城市地区，对骑车进行适当安全的必要性。
根据世界卫生组织2020年的一份报告，在报告的与自行车有关的死亡和长期残疾中，超过60%是由头部受伤事故造成的。
来自新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员与法国专业材料领导者Arkema合作，开发了一种更坚固、更安全的自行车头盔。新的头盔原型具有更高的能量吸收能力，减少了在发生事故时转移到骑车人头部的能量，降低了严重受伤的几率。
由副教授梁Kah Fai的机械和航空航天工程学院的团队,包括研究员博士Bhudolia Somen Kumar研究助理Goram Gohel和MSc学生Elisetty Shanmuga,创建复合头盔的外壳主要由一种新型的丙烯酸热塑性树脂,碳纤维加固。
这种名为Elium的新型热塑性树脂是由南洋理工大学的工业合作伙伴之一Arkema开发的。南洋理工大学的团队与阿科玛公司的工程师合作，开发了一种用于制造更坚固的自行车头盔的成型工艺。
Assoc Leong教授表示:“我们与Arkema的合作是出于开发一种新型头盔的愿望，这种头盔对骑自行车的人来说更坚固、更安全。”“头盔一次又一次被证明在减少伤害的严重程度和死亡人数方面发挥了关键作用。我们的原型头盔经受了一系列国际基准测试，证明了与传统头盔相比，我们有能力为骑车人提供更大的保护。”
该研究小组的研究结果发表在5月份同行评审的《复合材料B部分:工程》杂志上。
更坚硬的外壳吸收更多的能量
自行车头盔由两部分组成。第一种是外壳，通常由聚碳酸酯等大量生产的塑料制成。在它下面是一层发泡聚苯乙烯泡沫——产品包装和外卖盒使用的材料相同。
外壳被设计成在冲击时开裂，以便在头盔的整个表面耗散能量。泡沫层然后压缩和吸收大部分的冲击能量，以便更少的能量转移到头部。
研究小组的复合材料头盔取代了传统的聚碳酸酯外壳，采用了用碳纤维增强的伊利亚元素。
这种加固使外壳更坚固，更硬，比聚碳酸酯外壳更不脆。它还增加了头盔的接触时间，这是头盔经历冲击载荷的总冲击时间。
这些特性允许外壳在更长的时间内吸收更多的冲击能量，同时也均匀地分散在整个头盔中。这就减少了到达头部的整体力量，从而降低了重伤的几率。
索曼博士说:“当头盔高速撞击表面时，我们注意到，随着复合材料外壳的扩展失效，出现了变形，这意味着外壳承受了更多的载荷，吸收了更多的能量。”“这就是你真正想要的——贝壳吸收的冲击力越大，到达泡沫的冲击力就越小，因此对头部的整体冲击就越小。”我们发现，在现有的聚碳酸酯头盔中，大约75%的能量被泡沫吸收。这并不理想，因为泡沫直接接触到人的头部。”
相比之下，该小组的复合头盔外壳吸收了超过50%的冲击能量，使泡沫吸收的能量少得多，约为35%。
安全锻造在南大的铁砧上
研究人员通过在三种不同类型的铁砧(平砧、半球形铁砧和金字塔形铁砧)上高速行驶来测试他们的头盔，以模拟不同的路况。
这些测试与美国消费品安全委员会标准(CPSC 1203)认证所使用的测试相同，该认证是国际公认的头盔安全标准。该团队的头盔原型符合所有CPSC 1203准则。
研究人员特别关注峰值加速度，这是一种基于头盔在碰撞点移动的速度来衡量其承受的力的方法。头盔的峰值加速度必须小于300G(重力)，才能被认为适合CPSC 1203规定的使用，重力值越低越安全。
在两次平砧测试中，研究人员的头盔与对照组的聚碳酸酯头盔相同，结果为194.7G和197.2G，而对照组为195.4G和198.2G。
然而，对半球形和路沿石铁砧的测试表明，该团队的复合头盔比聚碳酸酯头盔有了实质性的改进。在两次半球形顶锤试验中，复合头盔的峰值加速度分别为100.9G和103.1G，而控制头盔的峰值加速度分别为173G和178.7G。
在一次路石砧测试中，研究人员的头盔的重量为111.7G，比参考头盔的重量(128.7G)有了明显的提高。
研究人员参考了最广泛使用的伤害指标，称为头部伤害标准(HIC)，以计算使用头盔时严重伤害和死亡的概率。HIC值是由加速度峰值和加速度持续时间的组合得到的。
研究小组对平砧测试结果和HIC的分析表明，与聚碳酸酯头盔相比，这种复合材料头盔可以将严重和致命的伤害率分别从28.7%和6%降低到16.7%和3%。
尽管两种头盔的峰值加速度大致相同，但复合材料头盔更坚固的外壳使其在碰撞过程中加速的持续时间更长。这使得外壳能够吸收更多的能量，从而产生更低的HIC，这意味着更低的致命伤害的机会。
更高效的制造可能会带来更便宜、更坚固的头盔
原型头盔也比传统头盔更容易生产。使用Elium而不是其他传统的热塑性塑料简化了复合头盔的制造过程。
与其他需要高温处理的热塑性塑料基复合材料外壳不同，Elium在环境温度下是液态的，允许它在室温下成型。
南洋理工大学的研究人员正在与Arkema公司合作，将这种头盔的制造过程商业化，这将允许有兴趣的制造商生产它们。梁家杰表示，通过他们的方法生产的头盔将提供与目前顶级头盔相同的保护，但价格可能与中级头盔(100美元至150美元)相同。
研究人员目前正在开发由伊利亚和聚丙烯纤维制成的复合头盔，这是另一种热塑性塑料。这是为了克服复合材料头盔目前的一个权衡，即它们比聚碳酸酯头盔重约20%。
由Elium和聚丙烯织物制成的头盔可能会让它们和聚碳酸酯一样轻，但提供更好的保护。
