2012 年 8 月 19 日，在 NFL 季前赛的第二周，印第安纳波利斯小马队外接手奥斯汀·科利在开球线外跑了 17 码，向中场切入，接住传球，并立即被匹兹堡钢人队角卫伊克·泰勒擒抱。泰勒冲过来撞击时，他的橄榄球头盔似乎蹭到了科利头盔的左侧。然后，角卫用手臂环住了科利的脖子，将外接手的头部向右猛地一甩。片刻之后，钢人队线卫拉里·福特从另一侧冲了过来，用手肘猛击科利头盔的右侧。当外接手摔倒在地时，他的头盔先是撞到了福特的膝盖，然后脸部着地。
科利茫然地坐了起来，一分钟后被人搀扶着离场。他休息了三周才重返赛场。诊断结果：脑震荡。这并非科利第一次遭受临床上称为创伤性脑损伤的伤害。2010 年 11 月 7 日，他被两名费城老鹰队球员几乎同时击中头部后，在 34 码线上纹丝不动地躺了近 10 分钟。医务人员用担架将他抬离球场。两周后，在他复出的第一场比赛中，他在第一节就因另一次脑震荡离场。他又缺席了三场比赛，然后在 12 月 19 日又遭受了另一次脑震荡，这次赛季报销。
职业橄榄球运动员在一个赛季中可能遭受多达 1500 次头部撞击，具体取决于他们的位置。这意味着一个 10 年的职业生涯中将遭受 15000 次撞击，更不用说他们在大学、高中和少年联赛中受到的撞击了。这些撞击是有后果的：脑震荡，以及根据近期研究，永久性脑损伤。这不仅仅是橄榄球。曲棍球、长曲棍球，甚至是自行车和单板滑雪等运动都在加剧创伤性脑损伤的流行病。CDC 估计，美国每年发生多达 380 万起运动相关的脑震荡。这个数字不仅包括职业运动员，还包括所有级别的业余运动员，包括儿童。也许最令人担忧的是，这个数字并没有下降。
在过去的两年里，围绕运动相关脑震荡的愤怒情绪日益高涨。2011 年 1 月，参议员汤姆·尤达尔（新墨西哥州民主党）呼吁美国联邦贸易委员会对橄榄球头盔行业进行调查，指控其“虚假安全声明和欺骗性行为”，该机构目前正在进行调查。2012 年 6 月，超过 2000 名前 NFL 球员对该联盟以及最大橄榄球头盔制造商和 NFL 官方合作伙伴 Riddell 提起了集体诉讼，指控他们隐瞒脑损伤的科学研究。
真正的问题是生命受到威胁。2006 年，前费城老鹰队球星安德烈·沃特斯自杀身亡，用枪射击自己，这一事实变得悲惨地清晰。他死后对其大脑的研究表明，他患有慢性创伤性脑病 (CTE)，这是一种脑损伤，会导致痴呆，并由反复的头部撞击引起。此后，NFL 发生了令人心痛的球员自杀事件，包括前球星戴夫·杜尔森、雷·伊斯特林和小鲍比·肖，据估计，他一生中遭受了多达 1500 次脑震荡。
对于装备制造商来说，对防护头盔的需求从未如此之大。领先的公司以及众多新兴公司纷纷开发了许多新的头盔设计，每家都声称提供前所未有的安全性。问题是，它们背后都隐藏着大量相互冲突的研究，其中许多研究是由头盔制造商或联盟直接或间接支付的。
对于球员、教练或年轻运动员的担忧的父母来说，很难知道该相信谁。尽管进行了所有研究和开发，并公开呼吁，伤病仍在不断发生。更具悲剧性的是，一种可以扭转脑震荡流行病的头盔技术已经存在。
脑震荡的麻烦
为了理解为什么目前的头盔在减少脑震荡方面不够好，需要考虑这种伤害的性质。脑震荡本质上是看不见的。即使是最先进的医学成像技术也无法灵敏地显示出物理表现，即受损的脑组织。因此，诊断完全基于症状和情况。患者是否头晕或糊涂，或者他是否短暂失去知觉？他是否有头痛或恶心？他是否记得发生了什么，并且看起来像是被重重地击中了头部？
即使医生能够可靠地诊断脑震荡，识别损伤也无助于预防它；为此，科学家需要准确了解头部内部发生的情况。几代人以来，医生一直认为脑震荡是撞击部位和对面部位大脑灰质的某种擦伤，大脑似乎是从那里反弹到头骨上。事实远非如此简单：脑震荡发生在脑白质深处，当巨大的撞击力传递时，会拉伸神经细胞及其连接——轴突。
为了理解这一点是如何发生的，重要的是要认识到不同类型的力——线性和旋转加速度——在任何物理创伤中都会作用于大脑。线性加速度正如其名，是一种直线力，始于撞击点。它会导致颅骨骨折，这很合理：你用足够的力撞击骨头，骨头就会断裂。
旋转加速度不太直观。它在角撞击或非作用力以大脑质心为中心的撞击中最为剧烈。你不需要了解很多橄榄球或曲棍球知识，就可以意识到旋转是许多撞击的一个因素。“想想看，”波士顿大学医学院神经外科医生、29 本神经病学和运动医学书籍的作者罗伯特·坎图说。“因为大多数撞击都不是正面的，而且我们的头部不是方形的，所以头部的大多数加速度都会是旋转的。”
更复杂的是，人脑基本上是一个不规则形状的果冻状物体，坐在一个有棱角和悬崖的硬壳里。在橄榄球擒抱或曲棍球撞击之后，那个物体会移动，而且移动方式不规则。“旋转力比线性力更能拉伸神经细胞和轴突，”坎图说。“它们不仅在拉伸，同时还在扭曲。所以它们有造成更大神经损伤的潜力。”
那么问题出在哪里？如果科学家知道脑震荡是由大脑的旋转主要引起的神经拉伸，为什么他们找不到阻止旋转的方法？
正如实际损伤在医学成像技术上无法看到一样，引起损伤的旋转在撞击条件下也无法测量；科学家无法进入运动员的大脑来测量其运动。但在 2007 年一项令人毛骨悚然的研究中，底特律韦恩州立大学的研究人员使用高速 X 射线观察了装有橄榄球头盔并从不同角度受到撞击的人类尸体头部的大脑。这项研究得到了计算机模型的证实，显示大脑移动的幅度很小——只有几毫米。然而，这些微小的运动足以导致神经拉伸并影响神经功能。
更困难的是，每个大脑都是不同的。年轻的大脑反应与年老的大脑不同，女性的大脑反应与男性不同。研究人员还发现，较弱的、非脑震荡性的撞击会随着时间的推移产生累积效应，并导致 CTE，这可能是许多前球员自杀的原因。但是需要多少次撞击，以及哪种类型的撞击，目前还不清楚——而且在球员活着的时候无法诊断出这种疾病。只有当他的大脑被切开时，研究人员才能发现组织中的死亡区域。
围绕脑震荡的科学模糊性显然阻碍了更好头盔的开发。但头盔技术没有改进还有另一个原因，比知识的差距更令人担忧：一个由过时的安全标准管理的自律行业。
40 年的标准
想象一下典型的碰撞测试假人的头部，就像你在汽车广告中看到的那种。它连接在一个悬挂在圆柱形铁砧上的刚性金属臂上，铁砧的顶部有一个硬质塑料圆盘。一名实验室技术人员将一个橄榄球头盔固定在头部模型上，将手臂精确地提升到铁砧上方五英尺处，然后让它落下——砰。在假人头部内部，一个位于重心处的加速度计记录撞击期间传递的线性加速度。这种野蛮的测试称为垂直跌落测试，它是所有橄榄球头盔经国家体育设备安全操作委员会 (NOCSAE) 认证安全的依据。NOCSAE 是一个由装备制造商资助的协会，而该协会又资助了大部分运动相关头部创伤的研究。该标准自 1973 年创建以来基本保持不变。
现在回想一下奥斯汀·科利在 2012 年 8 月的脑震荡——初次撞击后头部的甩动，与拉里·福特的手肘和地面的碰撞。这些撞击看起来与 NOCSAE 跌落测试的直线力不太相似。这就引出了一个非常重要的问题，也许是科学家和头盔制造商今天正在试图解决的核心问题：跌落测试测量的线性加速度是否与旋转加速度相关，如果相关，相关多少？
无数生命和数十亿美元的销售额、医疗费用和诉讼成本可能取决于一个明确的答案。如果力之间的关系很强，那么减少旋转加速度的关键与减少线性加速度相同：增加衬垫。显然，头盔制造商更倾向于这种简单的解决方案。然而，如果这种联系很弱——或者至少在最危险的撞击中很弱——那么增加衬垫对减少脑震荡几乎没有作用，公司将需要彻底重新思考现有设计，这是一项非常昂贵的努力。
2003 年，一家总部位于新罕布什尔的公司 Simbex 推出了名为头部撞击遥测系统 (HITS) 的研究工具。除其他功能外，它似乎有可能回答相关性问题。HITS 是一个由六个弹簧加载的加速度计组成的阵列，安装在头盔内部，用于记录重大撞击的位置和严重程度。在任何超过一定阈值的撞击后，该系统会将数据传输到场边的配套设备。教练可以实时监控球员，研究人员可以获得大量真实世界的数据进行挖掘。弗吉尼亚理工大学损伤生物力学中心创始主任斯特凡·杜马是使用 HITS 数据的人之一；在他的敦促下，该大学橄榄球队的每位球员都佩戴装有 HITS 的头盔。在分析了 200 万次撞击的数据后，杜马表示，线性和旋转力之间存在清晰而紧密的联系。
不幸的是，其他研究人员认为没那么简单。他们说，如果看所有的撞击，相关性很高，但当你观察角度很大的撞击时——也就是脑震荡风险更大的撞击——相关性就崩溃了。“举一个极端的例子，”波士顿大学的坎图说。“如果你撞击面罩的尖端，如果另一名球员从侧面冲过来，你会导致头部在颈部旋转，而线性加速度非常低，旋转加速度非常高。”
事实上，对于 HITS 数据的所有倡导者，都存在一个同样声音响亮的批评者。他们说，头盔会在 250 磅重的线卫的撞击下变形，从而扭曲数据。他们说 HITS 计算旋转的算法有问题。他们指出，HITS 的创始人是所有验证该系统的已发表研究的合著者。渥太华大学生物力学教授布莱恩·霍希扎基（他的研究侧重于角撞击）当我问他杜马的发现时，听起来很恼火。“你必须看看那些真正导致脑震荡的事件，”他说。“可能是 1000 次撞击中只有 50 次是高度非中心的，但也许这 50 次是最危险的——这就是我们的数据所显示的。”
从本质上讲，旨在回答脑震荡问题的系统引发了更多问题。由此产生的混乱会引发一系列影响。不明确的科学导致不明确的标准，不明确的标准留下了很大的解释空间。对头盔行业的影响很明显：它变成了一场混战。
头盔军备竞赛
2010 年 12 月，一家长期从事汽车赛事安全设备制造商的 Bill Simpson 碰巧参加了一场小马队的比赛，在比赛中，医务人员在奥斯汀·科利遭受脑震荡后将他抬离了球场。事故发生后，辛普森问小马队的进攻协调员，也就是他的朋友，他的外接手怎么了。
“哦，那只是比赛的一部分，”教练说。
辛普森看到了机会。在赛车界，他被称为安全教父，曾为演示他的赛车服的有效性而将自己点燃。他认为他可以制造更好的橄榄球头盔，于是他在印第安纳波利斯的仓库里开始工作。到 2011 年，包括科利在内的几名职业球员已经开始佩戴辛普森头盔的早期实验版本。
一位个人发明家能够开发、生产并将产品交付给职业运动员手中，这说明了头盔制造行业的动荡。曾经是一个由少数大公司主导的相当沉闷的行业，现在已经发展到包括越来越多的新兴公司、连续创业者和个人发明家。其结果是新设计的激增。主流头盔制造商坚持采用基于先前型号的变体：填充有不同密度和厚度衬垫的聚碳酸酯外壳。新来者开发了更具创造性但测试不够严格的方法。也许最著名的是外观奇特的 Guardian Cap，一个套在普通头盔上的带衬垫的袜子。2011 年引起广泛关注的另一种方法是 Bulwark，它来自北卡罗来纳州一位航空航天工程师和自称“头盔迷”的工作台；它有一个模块化外壳，可以根据不同球员的需求进行配置。它从未走出原型阶段。
就辛普森而言，他的 SGH 头盔于 2012 年 10 月正式推出，并立即受到了热烈欢迎。Sports Illustrated 的“伤病专家”专栏作家威尔·卡罗尔戴上了一个，并让别人用球砸了他的头顶——一种强烈、几乎纯粹的直线力。他报告说几乎没感觉到什么。他的结论是：这个头盔一定管用。
当我打电话给辛普森讨论头盔并询问它如何减少造成脑震荡的力量时，他提到他与之交谈过的所有神经科学家都无法告诉他究竟是什么力量导致脑震荡。“那么，你怎么知道你在阻止正确的力量呢？”我问他。“如果你不知道是什么导致了脑震荡，你又该如何预防呢？”
“你问了我很多非常离奇的问题，我的朋友，”他说。“很多问题我无法回答。”他解释说，他的头盔使用碳纤维和凯夫拉尔复合材料外壳，以及由聚苯乙烯泡沫颗粒制成的自适应泡沫内层。他说，它在 NOCSAE 式的跌落测试中的表现优于市场上任何其他产品。
“它是否专门解决了旋转加速度问题？”我问道。
他笑了。“没有头盔能做到这一点。”
我采取了一种更直接的方法：“你能对你的头盔的脑震荡减轻效果做出声明吗？”
“哦，天哪，不行，”他说，“我绝不会做出这样的声明。”
至少自国会对此表示关注以来，NFL 已经开始认真对待谁在声明什么——或不声明什么。“我每周都会看到一个新的设备，”北卡罗来纳大学运动医学研究员、麦克阿瑟天才奖获得者凯文·格斯奎维茨说，他也是 NFL 安全设备和比赛规则小组委员会的主席。“我的书桌角落里有一本厚厚的活页夹。我不认为 NFL 会公开认可某款产品，但他们肯定觉得自己有责任努力预防这些伤害。所以我们将审查这些技术，以便说，这里有三四种需要进一步研究。”
可以说，主流头盔制造商的最大胆的声明来自 Riddell。该公司最新的头盔 360，建立在一个名为脑震荡减少技术 (CRT) 的系统之上，该系统于 2002 年首次推出。根据一段极具煽动性的宣传视频（该视频后来已从 Riddell 网站上删除），工程师们设计 CRT 是为了响应由加拿大名为 Biokinetics 的研究实验室进行的 NFL 资助的研究。研究人员查看了导致脑震荡的真实 NFL 撞击的录像，并试图绘制其位置、距离和速度。两个主要发现是：旋转加速度是脑震荡的主要因素，而且球员经常被击中头部侧面。
针对这项研究，开发 CRT 的工程师在侧面和正面撞击区域增加了能量衰减材料（额外的衬垫）。他们还将 CRT 头盔的整体尺寸增加了几毫米，以便容纳更多的衬垫。360 的设计是在 CRT 的基础上进一步发展，在撞击区域增加了更多的衬垫。CRT 和 360 头盔旨在减少脑震荡，但尚不清楚这些变化如何解决旋转——这是脑震荡的主要因素。因此，我问 Riddell 的研发主管 Thad Ide。“嗯，在许多情况下，线性加速度和线性加速度引起的旋转是并行的，”他说，这呼应了弗吉尼亚理工大学杜马的 HITS 研究结果。“减少线性力就会减少旋转力。”
所以问题仍然存在：如果解决线性力是关键，并且更好的衬垫是实现这一目标的方式，那么为什么脑震荡的数量没有减少呢？“你没有看到它发生变化，是因为（头盔制造商）没有解决它，”渥太华大学的霍希扎基说。
新的希望
在斯德哥尔摩郊区一栋建筑的地下车库旁的一个小房间里，正在进行一种完全不同的头盔测试。皇家理工学院的生物力学工程师 Peter Halldin 正在将一个头盔固定在一个定制的跌落测试台上。与 NOCSAE 测试将头盔撞击固定铁砧不同，Halldin 的测试台将其降落到一个水平移动的气动滑橇上。通过校准头盔的角度、跌落高度和滑橇的速度，Halldin 表示他可以比其他实验室更准确地重现导致旋转加速度的角力。“在假人头部，九个加速度计测量撞击期间传递的线性力；附近的计算机根据这些数据计算旋转加速度。
今天，Halldin 正在测试两款唯一的区别是相同的滑雪头盔：其中一款头盔的衬垫和头部之间，有一个明黄色的模塑塑料层，用小橡皮筋固定。这是多向冲击保护系统 (MIPS)，它也是他共同创立的一家公司名称。Halldin 大约一半的时间担任 MIPS 的首席技术官，另一半时间担任皇家学院的教员。
MIPS 的理念很简单：塑料层紧贴在球员头部下方的衬垫上。通过让头部在撞击期间“浮动”，MIPS 可以在旋转力到达大脑之前消除部分旋转力。
Halldin 的第一个测试对象是非 MIPS 头盔。Halldin 打开高速摄像机，从冲击器后退，准备接住反弹的头盔。“五、四、三、二、一……”滑橇以每秒 22 英尺的速度向前发射，头盔以每秒 12 英尺的速度落下，砰地一声，发出巨大的碰撞声。
我可以在电脑上看到，头部承受了大约 170 G 的线性力，并且旋转了每秒 14100 弧度（旋转的标准科学指标）。这是一次巨大的撞击，很可能会导致脑震荡或更严重的伤害。
现在是第二顶头盔。除了低摩擦 MIPS 层之外，所有变量都与第一次测试相同。“五、四、三、二、一……”——砰。这次电脑显示旋转为每秒 6400 弧度，减少了 55%。
Halldin 开始详细解释多次撞击测试对头盔性能随时间推移的影响，但我打断了他：“您会如何描述那个测试结果？”
他再次看向电脑屏幕上色彩缤纷的图表。如果测试假人是一名橄榄球运动员，他本可以轻松地从一场可能导致赛季报销的撞击中走出来，而不会发生脑震荡。Halldin 微笑着，并允许自己进行一次非瑞典式的吹嘘。“我会说，这真是太棒了。”
Halldin 谨慎地不声称 MIPS 系统可以在所有头盔的所有撞击中产生这样的结果。但是，他说，“我们可以减少所有方向的旋转，而且在大多数方向上都很显著。我们可能在一个方向上得到 35%，在另一个方向上得到 25%，在另一个方向上得到 15%。希望 15% 不会在该运动最常见的撞击方向上。”
MIPS 并非新生事物：该公司最早可追溯到 1997 年，当时斯德哥尔摩卡罗琳医学院（与诺贝尔医学奖评审机构相同）的神经外科医生 Hans von Holst 对看到因曲棍球和其他运动而受伤的患者感到厌倦，并决定采取行动。他与皇家学院的 Halldin 合作，共同研究了 10 年的创伤性脑损伤。
旋转力很快成为他们的焦点，最终他们提出了 MIPS 的想法。第一款产品是为马术市场设计的一款完整头盔。虽然这款头盔受到了好评，但团队很快了解到，实验室里的一个聪明概念并不容易转化为成功的市场产品。生产问题和质量控制问题促使团队重新考虑他们的策略，并聘请了一位经验丰富的瑞典高管 Niklas Steenberg 作为新首席执行官。Steenberg 审视了情况，认为 MIPS 就像汽车中的安全气囊或笔记本电脑中的英特尔芯片一样，不是最终市场产品。取而代之的是，他们将专注于将其授权给现有头盔公司，以便这些制造商能够改进自己的产品。
从那时起，MIPS 已将其低摩擦滑动层授权给约 20 家头盔制造商，涵盖从单板滑雪、滑雪到自行车和摩托车越野赛等各类运动。最近，Steenberg 认为，公司已经准备好开始追逐大鱼——首先是美国曲棍球，然后是最大的市场，橄榄球。
追逐金钱
人们会认为像 Riddell 这样的公司会不顾一切地授权或创造类似 MIPS 的东西，这是一种直接解决脑震荡关键因素的简单产品，并且可以轻松融入现有的头盔设计中。
“我以为人们会拥抱我们，说‘谢谢！’” Ken Yaffe 说，他曾是 NHL 的一名高管，在为联盟效力 19 年后于 2012 年 3 月离开，并签约 MIPS，帮助他们接触美国制造商。但在带着 Steenberg 和 Halldin 拜访各公司近一年后，他说，“我们受到了怀疑。”
Yaffe 猜测，原因之一是现有的安全标准并不要求公司做任何超越他们已经在做的事情。这是大多数头盔研究人员私下里提出的批评：简化的认证标准为制造商提供了便利的法律保护。如果 NOCSAE 认证了某家公司的头盔是安全的，那么该公司承担伤病责任的风险就会降低。另一方面，如果同一家公司做得比标准更好，它可能会承担被起诉的风险：突然间，它所有现有的头盔都会显得不足，更糟糕的是，公司可能不得不承认他们知道自己做得不够。
弗吉尼亚理工大学的 Duma 指出 NOCSAE 的行业资金来解释这种情况为何会持续存在于橄榄球界。“追逐金钱，”他说。“想象一下，如果福特是唯一一家测试其汽车的公司，并且它说每辆车都获得了最高评级。这是一种非常不寻常的安排。”
对 MIPS 的首席执行官 Steenberg 来说，这种情况既有害又倒退。“如果有某种东西可以让你的头盔更安全，你就应该为不使用它而承担责任，”他说。这不是第一次新技术面临这种悖论。实施往往取决于一个严峻的计算：采用安全措施对行业造成的成本是否高于公众在没有它的情况下付出的成本。当责任纳入考量时，律师、法官和立法者就会介入，即使是最紧迫的问题也会陷入争论。例如，花了十多年时间才将安全带立法为汽车的标准配置。值得注意的是，最早普及和实施安全带标准的两个公司是萨博和沃尔沃，都是瑞典公司。
然而，变革即将到来。渥太华大学的 Hoshizaki 获得了 NOCSAE 的资助，以制定一项新的包含旋转的标准。“我想对制造商公平，”他说。“如果他们能制造出更安全的头盔，他们就会这样做。我不认为他们反对；他们只是确保自己不越界说‘是的，我们应该管理旋转’，因为那会引发责任问题。”有了新的标准，这一障碍就可能消失。
一家有进取心的公司已经推出了一款产品，直接解决了另一项接触性运动中的旋转加速度问题。2012 年夏天，冰球头盔第一品牌 Bauer 推出了 Re-akt。头盔内部，一层薄薄的亮黄色材料松散地放置在头部和衬垫之间，允许头部在撞击时向任何方向移动一点。
该层称为 Suspend-Tech，从颜色上看，与 MIPS 非常相似。事实上，在 Re-akt 的开发过程中，MIPS 的联合创始人 Halldin 在皇家学院的冲击器上测试了早期版本。关于这次合作是如何发生的，以及 Bauer 是如何产生滑动层想法的故事有所不同，但关于知识产权的问题可能无关紧要。Bauer 的 Suspend-Tech 是一个重要的首次亮相：这是主流公司首次尝试在接触性运动头盔中加入旋转层。MIPS 押注，既然一家曲棍球制造商已经接受了这个想法，那么该领域的其余公司也将开始寻找自己的版本。这反过来又可能为 MIPS 进入橄榄球市场创造足够的动力。
也许是最有希望的迹象是，NFL 承认 MIPS 类产品已经引起了该组织的注意。NFL 安全设备小组委员会的 Kevin Guskiewicz 表示，该联盟已经在评估这一概念。“我们正在非常认真地研究它。”
与此同时，随着科学家们进行更多的测试，制造商们争论不休，今年将有 420 万人穿上球衣打橄榄球，其中大多数是脑部仍在发育的儿童。他们每一个人都需要一个好头盔。
Tom Foster 居住在纽约布鲁克林。这是他为《大众科学》撰写的第一个故事。它最初出现在该杂志 2013 年 1 月刊上。
