保護腦袋都靠它！——安全帽的科學技術

你騎自行車時會戴安全帽嗎？

今年 4 月起日本新規上路，所有騎士不分年齡，騎自行車都必須戴上安全帽，自行車用品店安全帽的銷量直線上升，熱門產品更賣到缺貨。

台灣目前道路相關法規僅規定機車、電動（輔助）自行車要戴安全帽，一般沒有電力輔助的腳踏自行車，還未特別規定要戴安全帽。

自行車的安全帽到底防護效果如何，得要從設計看起；最近的新科技 MIPS 號稱能降低側撞與旋轉衝擊，什麼是旋轉衝擊？什麼是 MIPS 呢？

都柏林大學腦創傷模型

想要知道這樣摔、那樣摔會有什麼下場？這就需要用假人頭來分析；最著名的實驗模型就是「都柏林大學腦創傷模型」（University College Dublin Brain Trauma Model , UCDBTM）。

UCDBTM 最初發表在 2003 年，是使用男性屍體的腦袋進行「電腦斷層掃描」（computed tomography , CT）和「核磁共振」（magnetic resonance imaging , MRI），開發模擬頭部幾何形狀及頭內部壓力反應的模型，透過一系列屍體衝擊測試，進行參數調整，觀察不同衝擊對於大腦和腦脊液（CSF）體積和剪應力的影響。

在研究的 3D 有限元素模型（three-dimensional finite element model），以大約 2 萬 6 千個六面體元素，來代表頭皮、顱骨、軟腦膜、腦鐮、腦幕、腦脊髓液、灰質與白質、小腦以及腦幹，也就是整個頭部重要的組成都涵蓋進去了。

安全帽衝擊測試

2022 年 5 月在《Scientific Reports》上的一篇研究，團隊利用先前提到的 UCDBTM 假人頭模型試砸，目的是想了解頭部撞擊的旋轉加速度。為什麼要那麼在意旋轉衝擊？

在全球車禍直接撞擊造成腦部損傷的機率較小，相比之下，側撞和旋轉衝擊才是最可怕的傷害方式，這是因為人在車禍中會有自主閃避的反應；物理上來說，我們就是身處在移動中的慣性狀態，所以旋轉衝擊，特別是導致腦部受損和致命傷的主要原因。

而在這篇安全帽衝擊研究，團隊選了 3 種已上市的自行車安全帽 ，每種各買 4 頂來 PK，這三款安全帽分別是：

1. 一般有「貼合棘輪機制」、「EPS 保麗龍」內襯的自行車安全帽。為最常見的安全帽規格，而棘輪的位置在後腦杓，轉動可以調整鬆緊，讓安全帽貼合頭部不會任意鬆脫。
   
2. 採用「多向衝擊保護系統」（Multi-Directional Impact Protection System）簡稱 MIPS，MIPS 是一層安裝在安全帽內部的保護裝置，當頭部受到衝擊時，減震層可以提供 1 到 1.5 公分  多方向的移動空間，利用在安全帽內部滑動，緩衝側面撞擊或是旋轉所造成的作用力。
   
3. 安裝數個裝著低黏度無色「礦物油」的「熱塑性胺甲酸乙酯 TPU」囊袋，利用這些囊袋緩衝頭部衝擊。

戴著安全帽的假人頭依序被送上「單軌掉落支架系統」之後，再分別以每秒 6.5 公尺的衝擊速度（時速每小時 23 km）自由落體撞擊貼上 80 粒度（grit）砂紙、45 度角的鐵砧表面上，模擬自行車摔車時的高摩擦衝擊狀態。

以實驗的結果來說，作為對照組的【一號】安全帽表現整體來說比較差，雖然一號傳統安全帽在線型加速度控制能力，不輸【二號】，但【二號】與【三號】所加持的旋轉控制科技，表現明顯出色；【二號】的減震層和【三號】的礦物油囊袋，不僅降低了線性和旋轉加速度的峰值（最大值），還減少腦部灰質與白質所受的衝擊。顯然 MIPS 以及類似這類防側撞和旋轉衝擊的新科技，確實有明顯的保護效果。

科學證實戴帽更安全！

2018 年刊登在《事故分析與預防》期刊（Accident Analysis & Prevention）的薈萃分析研究，從 1989 年至 2017 年的 55 項研究，共 179 個效果估計；結果顯示，使用安全帽可將頭部損傷減少 48％，嚴重頭部損傷減少 60％，創傷性腦損傷減少 53％，面部損傷減少 23％，造成死亡或重傷的總數減少 34％。

總之，科學實證強烈建議騎自行車必須佩戴安全帽。

只是在台灣這種亞熱帶氣候，夏天悶熱考驗也是避不掉的，另外也有不少反對強制立法配戴安全帽的人表示，不想要在騎 Ubike 時被強制戴「共用」安全帽，覺得很不衛生。而且覺得強制規定戴安全帽，反而會降低大眾使用自行車替代汽機車的都市減碳目標。

回到開頭，日本新規已上路，所有騎士不分年齡，騎自行車都必須戴上安全帽，而台灣目前還只有機車、電動自行車要戴安全帽；台灣該跟上，還是維持現況呢？

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不管是看泛科學小編計算「九天玄女的加速度」，還是挑戰怎麼包裝「雞蛋自由落體」才不會破，結果成功與否都歡樂無限。^[1]因為摔完死活都是別人，一概事不關己。

然而，如果今天摔的是您的腦袋呢？

都柏林大學腦創傷模型

秉持著「死道友，無死貧道_（臺語）」的精神，一群加拿大的科學家拿假人頭來試砸，再用「都柏林大學腦創傷模型」（University College Dublin Brain Trauma Model，簡稱 UCDBTM）加以分析。

UCDBTM 的根據，是一顆被拿去做了「電腦斷層掃描」（computed tomography，簡稱 CT）和「核磁共振」（magnetic resonance imaging，簡稱 MRI）的死人腦袋。這個 3D 有限元素模型（three-dimensional finite element model），以大約 2 萬 6 千個六面體元素，來代表頭皮、顱骨、軟腦膜、腦鐮、腦幕、腦脊髓液、灰質與白質、小腦以及腦幹。換句話說，頭部重要的組成都涵蓋進去了。^[2]

安全帽衝擊測試

實驗設計與過程

就像「雞蛋自由落體」賽事，東西若直接丟，多沒看頭。絕對要拿出誠意，用心較量包裝技術。在這個砸假人頭的實驗中，加拿大科學家們選了 3 款市面上買得到的自行車安全帽，每款各買 4 頂來「拚場」_{（臺語發音：piànn-tiûnn）：^[2]}

1. 【一號】：一般有「貼合棘輪機制」（fit ratchet mechanism）、「保麗龍」（expanded polystyrene，簡稱 EPS）^{【註釋1】}內襯和「舒適泡棉」（comfort foam）的自行車安全帽。^[2]棘輪的位置在後腦杓的方向，轉動即可調整鬆緊貼合頭部，不會任意鬆脫。^[3][4]
2. 【二號】：採「多向衝擊保護系統」（Multi-Directional Impact Protection System，縮寫 MIPS），含有「旋轉科技減震層」（rotational technology low-friction layer）的自行車安全帽 。^[2]當頭部受到衝擊時，減震層可以提供 10～15 mm 多方向的移動空間，減少旋轉的作用力。^[5][6]
3. 【三號】：「旋轉科技」（rotational technology）自行車安全帽，內附數個裝著低黏度無色「礦物油」的「熱塑性胺甲酸乙酯」（thermoplastic urethane）囊袋。^[2]

戴著安全帽的假人頭依序被送上「單軌掉落支架系統」（monorail drop rig system）之後，緊張刺激的時刻便來臨了。^[2]鑼鼓聲催落去～

碰、碰、碰！3 組皆以每秒 6.5 公尺的衝擊速度（impacting velocity），撞在 45 度角、80 粒度（grit）^[註2]的鐵砧表面上。^[2]

實驗結果

愉悅的時光稍縱即逝，徒留感傷的驗屍工作：整體來說，【一號】安全帽慘敗；而【二號】與【三號】的精湛科技，表現不同凡響。

【二號】的減震層和【三號】的礦物油囊袋，不僅降低了線性和旋轉加速度的峰值（最大值），還減少腦部灰質與白質所受的衝擊。此外，【三號】對頭部前方、兩側以及頭頂的保護，更勝【二號】。^[2]總歸，一般自行車安全帽雖然也不是完全沒用，但保護力就是不及「旋轉科技」。該研究成果於 2022 年 5 月 11 日，登上《科學報告》（Scientific Reports）期刊。^[2]

挑選適合的安全帽保護腦袋

然而「旋轉科技」不僅有實驗中的類型，其運用也不單出現在自行車安全帽上。制定安全帽國際認證標準的「Snell 紀念基金會」，2021 年講解「旋轉科技」衝擊測試的資料中，採用了一款全罩式安全帽。^[7]專攻 MIPS 技術的廠商官網，介紹機車安全帽時，則提及全罩式、可樂帽（modular）、半罩式和開放式等類型。不過，該廠商最後依然強調開放式安全帽，僅適用於低速騎乘；為了安全起見，速度稍快時，全罩式才是首選。^[8]

所以從科學實證的角度來說，讀者一定知道要怎麼挑，只是生活於臺灣這種亞熱帶國家，在夏天無疑會是殘酷的耐熱考驗。

註釋

1. 原文「expanded polystyrene」，縮寫「EPS」，直譯為「發泡性聚苯乙烯」，就是俗稱的「保麗龍」（styrofoam）。^[9][10]
2. 粒度（grit）：砂紙表面粗糙程度的單位。數字愈大，表面愈細緻；數字愈小，表面愈粗糙。^[11]

參考資料

1. 九天玄女的加速度（泛科學，2022）
2. Evaluation of two rotational helmet technologies to decrease peak rotational acceleration in cycling helmets（Scientific Reports, 2022）
3. Difference Between Slide Lock and Mega Ratchet Safety Helmet Adjustments（Direct Textile Store, 2019）
4. H700 H800 Hard Hat Video（3M Worker Health and Safety, 2017）
5. Frequently asked questions about the science and technology behind Mips（Mips）
6. MIPS多向衝擊防護系統（捷安特）
7. Snell Premium Protection Helmet Standards（Snell Memorial Foundation, 2021）
8. Checklist for choosing a motorcycle helmet（Mips）
9. 包裝用保麗龍常識篇（中華民國保麗龍回收再生協會）
10. Styrofoam（國家教育研究院，2012）
11. Sandpaper Grit Charts & Grades（Grainger, 2017）

注意看，只有聰明的人才看得到這個女生戴了隱形安全帽。
看不到嗎？沒關係，看完本文大家都會變成聰明人。

騎腳踏車最煩的事情，除了要一直踩踏板以外，大概就是戴安全帽了吧！什麼？你說臺灣現在根本沒人平常在街上騎腳踏車在戴安全帽的？很明顯就是因為超不方便又超不舒服，所以大家都懶得戴。但是安全帽又的確能夠保護我們的頭部，免於遭受撞擊，於是瑞典的兩個女生花了七年時間，在去年推出：隱形的安全帽！

畢竟傳統的安全帽不僅體積很大沒地方放，外觀又很醜，還會壓壞髮型，用悶熱的泡沫塑膠做成，很不舒服。於是革命性的產品就誕生了！同樣能保護頭部卻沒有上述那些缺點。這個發明在2011年奪下哥本哈根Index設計大獎。來看一下實體展示：

看完大家應該明白，是一個安全氣囊的概念。像一條圍巾的Hövding 內建電池、加速計和陀螺儀，當然還有半導體晶片。當檢測到使用者頭部發生大幅度動作時（如遭遇碰撞、跌倒），會立即向安全氣囊模組發送警示訊號，安全氣囊可在十分之一秒內充滿氦氣展開，包裹住頭部。

會不會擔心你如果坐在辦公室裡，結果不小心就打開了呢？因為這個圍巾是要充電的，很貼心的也有設計電源開關，不需要的時候關閉電源就行了。但是如果你擔心像一些犯罪影集演的一樣，隨便就被人從樓梯推下去了話，整天開著也是沒問題，只是就要每天晚上充電了。

其實就算不關電源，正常狀況下也是不會打開的。那系統要怎麼判別你真的遇到危險的意外呢？他們過去幾年蒐集了正常騎腳踏車的震動圖譜，還有用假人進行了一連串的意外實驗，因此你蹲下來幫腳踏車打氣、或是緊急煞車都不會開啟安全氣囊。

以下為一些意外狀況的震動圖譜：

最後要注意的事情就是，如果有人從陽台上拿一個花盆砸你，這個隱形的安全帽就幫不上忙，因為你沒有瞬間改變速度。（可能要被砸到倒地以後，安全氣囊才會彈開）所以颱風天還是傳統安全帽比較保險。

網路上的評價說400歐元(約台幣一萬六)的售價太高，就看你願不願意花這麼多錢保護自己的生命囉！（去年的價格是600歐元）因為這種安全氣囊是一次性的產品，雖然部分保險公司有提供使用過後再換新的服務。

但我最大的感想是，不愧是瑞典人的發明，在臺灣夏天的話不就熱死了？

最後一張圖，這大概就是九把刀說的：「即使跌倒了，姿勢也要很豪邁。」

參考資料：

• 商品官方網站
• 商品DM
• 半導體科技報導