18/4 - محافظت از لوبیاهامون: طراحی کلاه

این توضیحِ بیومکانیکِ گیاهِ لوبیا نیست (گرچه بیومکانیک میوه‌ها و سبزیجات، یک حوزه فعالِ تحقیقاتی است). به جاش، این بخش، برخی از تحقیقات مربوط به طراحی کلاه‌ها برای محافظت از سرهای ما در برابر لرزش‌های مغزی توضیح می‌دهد.

مغز توسط یه بافت همبندِ محکم، درون جمجمه آویخته شده و توسط لایه‌ی نازکی از مایع (یا دقیقتر، مایع مغزی نخاعی) احاطه شده. هنگامی که سر حرکت می‌کند، مغز همراه با آن حرکت می‌کند. زمانی که جمجمه سرعتش کم میشه، بافت همبند و مایع مغزی نخاعی حرکت مغز را کند می کنند.

یک لرزش مغزی (concussion) یک رویداد بیومکانیکی است. از نظر مکانیکی، یک نیروی خارجی که به سرِ در حال حرکت اعمال می‌شود، باعث کاهش سریعِ سرعتش می‌شود (شتاب بالا)، اما بافت همبند و مایع مغزی نخاعی، قادر به کاهش سرعت مغز درون جمجمه نیستند. مغز در حال حرکت، به سطح داخلی جمجمه می‌رسد. این نیرو، بین جمجمه و مغز، مغز را کبود می‌کند و اتصالات بین نورون‌ها را مختل می‌کند. 

 استفاده از کلاه‌ها در ورزش‌هایی مانند فوتبال، هاکی، موتورسواری، و دوچرخه‌سواری، همچنین در نیروهای مسلح، برای جلوگیری از لرزش‌های مغزی در نظر گرفته شدن. طراحیِ کلاه‌های بهتر، یکی از محورهای تحقیقاتی است که شامل چندین رویکرد است:

• بررسی رابطه بین حرکت سر، اندازه و جهت نیروی خارجی اعمال شده، و نیروی اعمال شده به مغز: این تحقیقات پایه اغلب از پیکرهای مرده استفاده می‌کند، اما این رویکرد، گرانه و تعداد کافی از افراد، جسم خود را برای تحقیقات علمی اهدا نمی‌کنند. پژوهشگران مدل‌های ریاضی مغزِ درون جمجمه را ایجاد و بهبود می بخشند، که امکانِ شبیه‌سازیِ کامپیوتریِ حرکات و نیروهای مختلف را فراهم می‌کند.
• تعیین رابطه بین نیروی اعمال شده به مغز و میزان آسیب مغز: برخی از لرزش‌های مغزی به دلیل یک حادثه واضح و تکی، مانند برخورد خشن بین دو بازیکن یا برخورد سر با سطح بازی ایجاد می‌شوند. گفته میشه که لرزش‌های مغزی دیگر، از اعمال چندین بار نیروی کمتر رخ می‌دهند. همچنین گفته می‌شود که مغز، بیشتر مستعد لرزشهای مغزیه وقتی نیرو در برخی جهات خاص اعمال میشه.
• طراحی کلاه‌ها برای کاهشِ بارگذاریِ مغز: کلاه‌ها از یه لایه محافظِ سادهِ چرمی، که برای جلوگیری از بریدگی‌ها و ساییدگی‌ها طراحی شده بود، به یک سیستمی که برای کاهش بارگذاری مغز و جلوگیری از لرزش‌های مغزی در نظر گرفته شده، تکامل یافته‌اند. پژوهشگران به بهبود طراحی کلاه‌ها ادامه میدن تا
• بارِ اعمال شده رو روی یک مساحت بزرگترتوزیع کنن تا باعث کاهش نیروی اعمال شده بر روی هر منطقه‌ از سر می‌شود.
• بار رو از مناطق سریِ مستعد به آسیب رو بازتوزیع کنن.
• خاصیت بالشتی کلاه رو زیاد کنن تا زمانِ رسیدن سر به حالتِ ایست رو زیاد کنن و باعث کاهش شدت و میانگین نیرو می‌شود.

  یک روش برای ارزیابی کارایی کلاه‌ها، استفاده از یک پاندول آویزان است. پژوهشگران یک کلاه را به پاندول متصل می‌کنند، آن را عقب می‌کشند و اجازه می‌دهند که به سرعت به سمت یک پلتفرم نیرو با سرعتی برخورد کند که مشابه برخورد های معمولِ ورزش ست. یک سر مصنوعی، طراحی شده برای شبیه‌سازی ویژگی‌های جرمی یک سر انسان، با سنسورهایی مجهز شده که مقدار نیروی اعمال شده بر روی مناطق مختلف جمجمه را اندازه‌گیری می‌کنند. اطلاعات این آزمایش ها برای بهبود طراحی و پدینگ کلاه و کاهش بارگذاری اعمال شده بر مناطق جمجمه، بر روی مناطق حساس به لرزش مغز استفاده می‌شود.

دارکوبها یک کلاه طبیعی دارند.

دارکوبها در حالی که به دنبال حشرات هستند، به طور مکرر نوک خود را به درخت‌ها می‌زنند. وقتی حشرات خوشمزه را پیدا می‌کنند، زبان بلند دارکوبها آن را می‌گیرد تا آن را به عنوان غذا به داخل بکشد. دارکوبها به طور کلی از لرزش‌های مغزی مصون هستند. بیومکانیست‌ها به بررسی دارکوبها پرداخته‌اند تا ببینند چگونه به طوری تطبیق یافته‌اند که از لرزش‌های مغزی جلوگیری کنند. در حالی که نوک به درخت می‌زند، زبان دارکوبها به داخل سر کشیده می‌شود و دور مغز پیچیده می‌شود تا یک لایه فومی محافظ ایجاد کند.

یک شاخه این تحقیقات، یه رشته دیگه تحقیقات پیشگیری از آسیب ه. در فوتبال، سنسورها به کلاه‌های استفاده شده در بازی‌ها و تمرینات اضافه شده‌اند. اطلاعات سنسورها به‌صورت بی‌سیم به یک گیرنده در کنار میدان انتقال می‌یابد. اگر در طی یک بازی، تماس باعث فعال شدن سنسور به سطحی که با لرزش مغزی مرتبطه بشه، کادر پزشکی می‌تواند بازیکن را به کنار میدان فراخوانده و علایم لرزش مغزی را ارزیابی کند. این امر اهمیت دارد، زیرا ریسک آسیب مغزی بلند مدت، وقتی یه مغز لرزیده، آسیب مضاعفی از یه بار بعدی دریافت کنه (به عبارت دیگر، اگر بازیکن دوباره شدیداً ضربه بخورد)، زیاد میشه.