全新脊柱保护设计使体育运动更加安全
在“周五夜灯”第一集中，一名高中四分卫在橄榄球球场上遭受了瘫痪性脊髓损伤（SCI）。他的亲友们在心理上都难以接收这一毁灭性的打击，该节目的核心人物泰勒教练说道：“生命就是这么脆弱。我们都脆弱不堪，所有人都会在生命的某个阶段倒下 — 我们都会倒下。”
据《脊髓医学杂志》2016年的一篇文章报道，研究者已经确定了与体育运动相关的脊髓损伤（SCI）率最高的国家（俄罗斯、斐济、新西兰、冰岛、法国和加拿大）和风险最高的体育运动（潜水、滑雪、橄榄球和骑马）。虽然世界各国已经针对自行车和摩托车运动制定了许多强制性的头盔法规，但几乎没有关于脊柱保护器的标准，或者建议在体育运动中使用它们。
大多数脊柱保护器是为摩托车手制造的，这种装备是皮带或盔甲的变种，目的是限制运动或吸收冲击力。但来自奥地利格拉茨的一个新项目 — 旋转式脊柱保护系统（RSP）— 像是“第二层皮肤”，它带有绑带和扣环，适合身体的形状并在一定范围内“锁定”运动，使穿戴者处于安全运动的绿色区域。如果脊柱旋转进入临界范围，绑带会紧固，捕获并吸收多余的旋转力。
RSP系统由Edera Safety工作室设计，其联合创始人兼首席执行官Thomas Saier对脊柱损伤的医学调查进行研究，确定了这些损伤的发生方式和位置，以及损伤类型。该团队的内部名称为adamsfour，专门研究比直接脊柱撞击发生率高出五倍的旋转性损伤。
“这是一种生物力学损伤，”Saier说。“运动的自然范围过于集中。当旋转力集中在位于脊柱中心的脊椎，脊椎被撕裂或撕开，就会发生损伤。”
带电的人体
第一步是辨别在身体以极端或突然的方式移动时，潜在的破坏力会对脊柱的哪个部位施加力度。该团队自己开发了碰撞测试假人，假人身上配备了可以适当转动的脊柱并带着传感器，在每个方向施加旋转力，并收集测试数据。
团队专门研究了连接胸腰椎和腰颈椎区的椎骨，即大多数旋转和损伤发生的部位。他们还参照了格拉茨大学解剖学研究所的尸体脊柱，进行旋转及3D扫描，收集脊柱生物力学范围的更多数据。
团队发现的一个关键是脊柱的自然界限有两种类型的运动：一种由身体的肌肉组织管理，另一种是骨骼（包括椎骨）之间的连接开始承受负荷。通过主动肌肉力量，人体仅能达到其运动范围的约60% — 其余部分通过脊柱旋转等骨骼运动被动地完成。
因此，关键不在于通过引导肌肉去限制所做的主动运动，而是在被动骨骼运动过多时进行控制。当脊柱进入临界阶段时，RSP系统会吸收所产生的力。
新的一代
第二步是将有关脊柱运动的所有数据付诸实践，设计一个既能限制模拟力和能量，又不那么像是一套盔甲的系统。
进入衍生式设计。Saier注意到欧特克在2016年与高性能赛车Hack Rod合作，用衍生式设计创建一款底盘，并考虑将它应用于脊柱保护器。“如果你只是在测试垫上工作，就只能模拟一种运动，”他说。“体育运动非常复杂，运动变化如此之多 — 你不知道你的系统中出现了多大的力、旋转或中断，直到它受到影响。”
通过欧特克 Fusion 360，并用实时数据对模拟进行填充，adamsfour开发出一个原型。团队将其投入使用，集成了更多传感器和一个应用程序，准确地测量并记录所有相关的力，然后将它们提供给衍生式设计算法。
Adamsfour自己的运动员兼设计师René Stiegler认为，接下来是利用衍生式设计过程中的几何形状来寻找最佳解决方案。“我们得到的结果有点过于极端，不能作为产品出售，”他说。“对于可用性问题，你必须将它精简为人们真正想要穿的东西。”
RSP系统是一种企业对企业的技术 — adamsfour将把它作为套件出售给其他制造商，后者将套件整合到自己的产品中。尽管adamsfour只处于预生产阶段，它已经与三大运动服品牌达成合约。
“根据各种限制，你可以得到很多结构性的建议，”Saier说。“衍生式设计生成主要的图像，我们现在使用的最终产品是由这种几何形状驱动的。你需要将它和直观的技术诀窍和设计团队的开发技能相结合，将它转化为商业产品。”
这一过程的优点是，根据系统对动力线和能量作用于身体位置的计算，可减少所需材料的数量。“如果没有它，我们可能会用更多的材料，或者它可能更重，”Stiegler说道。“它基本上为我们提供了有关我们必须承受的负载量或材料所需厚度的答案。如何在最终产品中实施它，这是你的决定。它实际上是围绕着骨架来构建整个系统。”
接下来是为大量测试车手配备更多的传感器，这将产生更精细的细节，然后重新设计现有的设计，进一步优化拓扑结构。
真实世界
经过所有模拟、数据处理和修改之后，用户的体验是否会满意？设备方便穿戴、舒适且有效吗？
恰当的材料至关重要。它必须是可切割和可成形的，不会失去固有的强度，并且需要与皮肤或衣服的表面有适当的摩擦。如果装备在薄的织物或出汗的身体上滑动，它将不会有太多的限制。答案是一种名为“氯磺聚乙烯合成橡胶”的物质，类似于用作橡皮艇的材料。
“它穿着很舒服，”adamsfour的速降山地自行车测试车手Dominik Doppelhofer说道。“与其他背部保护器相比，穿上它有点不同。你必须适当调整它，因为它必须像皮肤一样贴紧你的身体，但它的效果非常好。”
这一切都意味着，如果你在今年晚些时候进行体育运动，发现你过度扭转的脊柱能够得到更好的保护，那么你可能需要感谢奥地利一家进行解剖学研究和衍生式设计的小公司。