Ny materialdesign gör cykelhjälmen säkrare
Genom att använda nya geometriska former i det stötdämpande materialet har forskare vid bland annat Göteborgs universitet tagit fram en cykelhjälm som ger ett bättre skydd mot huvudskador. Materialet absorberar stötar genom att dra ihop sig.
Cykelhjälmar är viktiga för att skydda cyklister från huvudskador, men traditionella konstruktioner har begränsningar när det gäller stötdämpning och passform. Forskare vid Göteborgs universitet och universitetet i iranska Isfahan har designat en cykelhjälm vars stötdämpande material utnyttjar det som kallas för auxetiska metastrukturer. Materialet är utformat i speciella geometriska mönster som beter sig annorlunda vid stötar jämfört med konventionella skumfoder.
– När det stötdämpande materialet utsätts för energi i form av en stöt så drar det ihop sig och det förbättrar absorptionen av krockenergin. Det innebär lägre risker för skador på cyklistens huvud, säger Mohsen Mirkhalaf, lektor i materialens mekanik och fysik vid Göteborgs universitet.
Geometrin är nyckeln
Forskningsstudien, som publicerats i tidskriften International Journal of Solids and Structures, lägger samman kända kunskaper om auxetiska metastrukturer med datorsimuleringar och optimeringstekniker för att ta fram en säkrare cykelhjälm.
– Vi använde en särskild metod för designoptimering för att identifiera den bästa möjliga geometriska konfigurationen för att minimera krockkrafterna. Det är geometrin på materialets struktur som är nyckeln, säger Mohsen Mirkhalaf.
Slutligen skrevs den nya hjälmens skyddande lager ut på en 3D-skrivare för att kunna testas. Materialet som valdes var en typ av plast, en polymer, som kan genomgå betydande deformationer och ändå återfå sin form efter krocken. Standardtester på två olika sorters stötar mot den nya hjälmen visar att den skyddar huvudet bättre.
Kan skräddarsys
– Kunskapen om auxetiska metastrukturer som expanderar i sidled när de töjs ut har funnits i nästan 40 år. Utvecklingen av olika metastrukturer har dock exploderat tack vare framstegen inom 3D-printning, säger Mohsen Mirkhalaf.
Inte nog med att den nya hjälmdesignen ger bättre skydd, den är också lättare och fodret kan anpassas efter individuella huvudformer med hjälp av 3D-printning. Det är fördelaktigt för professionella idrottare eller personer som har svårt att hitta en bekväm hjälm.
Den här forskningen är ett steg mot smartare skyddsutrustning, som i förlängningen kan komma att användas inte bara till cykelhjälmar utan även inom andra områden där det krävs ett skydd mot stötar.
– Med ytterligare utveckling kan den här tekniken leda till en ny generation cykelhjälmar som är säkrare, bekvämare och mer anpassningsbara. Även om 3D-printtekniken för närvarande är dyrare än massproducerade skumfoder, förväntas kostnaderna sjunka i takt med att tekniken blir mer allmänt använd, säger Mohsen Mirkhalaf.
Vetenskaplig artikel i International journal of solids and structures: Design, optimization and additive manufacturing of an innovative bike helmet using auxetic metastructures
Kontakt: Mohsen Mirkhalaf, lektor på Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, telefon: 076-622 91 76, e-post: mohsen.mirkhalaf@physics.gu.se