På det seneste har debatten om, hvor godt beskyttede sportsstjernerne er, drejet sig om risikoen for alvorlige skader i den professionelle sportsverden.
Det er kun for ganske nylig, at den argentinske fodboldspiller Emanuel Ortega døde som følge af de kvæstelser, han pådrog sig, da han slog baghovedet ind i en cementvæg under en fodboldkamp.
En løsning er, at forøge brugen af beskyttelsesudstyr, og forbedre de eksisterende design.
Den australske cricket komités efterforskning af cricketspilleren Phillip Hughes' død, to dage efter at han var blevet ramt i baghovedet, hvor hjelmen ikke dækkede tilstrækkeligt, kan resultere i at nye hjelme bliver gjort obligatoriske.
Her på Sheffield Hallam University har vi været i fuld gang med at udvikle forbedrede materialer til kollisionsbeskyttelse i sport.
Materialerne, som kan bruges til hjelme, albue-, håndleds- og knæbeskyttere, afspærringsanordninger, handsker, måtter og barrierer, har en fascinerende og usædvanlig egenskab, som kaldes 'auxetic'.
Hvad er auxetic materialer?
Kort sagt, bliver auxectic materiale tykkere, når det strækkes, og ikke tyndere som man kunne forvente. Når materialet komprimeres eller sammenpresses i længderetningen, bliver det tyndere.
Ved første øjekast virker denne egenskab højst usædvanlig, men det har faktisk vist sig at være en vigtig egenskab i et voksende antal naturlige materialer.
For eksempel visse former for hud og andre bløde biomaterialer og uorganisk silikat som quartz og cristobalit. Syntetiske auxetic materialer omfatter også skummateriale, fibre og stof, carbon-fiberforstærket kompositmateriale, microporøse polymer, metal og keramik.
Inspirationen bag udviklingen af auxetic materiale - i forsøget på at forbedre kollisionsbeskyttelsen i sportsverden - er det ultimative panser beskyttelsessystem: strandskaller.
Det indre lag af strandskallernes dobbelte beskyttelsessystem kaldes perlemor. Perlemor sørger for at holde skallen stiv, stærk og modstandsdygtig - egenskaber der gør, at skallen kan modstå et bid fra et dyr eller et stød fra en sten.
Denne exceptionelle kombination af egenskaber gør strandskallerne i stand til at undgå en katastrofal fiasko og opretholder skallens integritet i tilfælde af, at det hårde og skrøbelige ydre lag revner eller krakelerer. Perlemor er også auxetic.
Auxetic materialer former sig til en konveks hvælving
Så hvorfor har naturen udviklet panser beskyttelsessystemer, der fungerer på denne måde? Vi tror, at der er mange faktorer på spil, og at de alle er forbundet med den basale præmis, at de auksetiske egenskaber er en måde at opnå den optimale værdi af andre nyttige egenskaber, men som ikke kan opnås af 'konventionelle' materialer.
I modsætning til konventionelle materialer, som bliver sadelformede hvis de bøjes, former et auksetiske materiale sig til en konveks, udadhvælvet runding, som ligner formen på en strandskal.
De auksetiske materialers karakteristiske dobbelte, hvælvede runding er ideel for beskyttelsesudstyr som hjelme, skulder- og albue beskyttere, da det garanterer at udstyret sidder tæt på kroppen for maximum komfort og præstation. Da auksetisk materiale har en tendens til at trække sig sammen i bredden, når det klemmes, opnås et kompakt område med øget kollisionsbeskyttelse, hvor og når der er brug for det (se illustration).
Man har også fundet, at auksetisk materiale giver knoglerne en forøget styrke ved brud og energiabsorbering. I perlemor forøger disse egenskaber den spredte energi, ved at ændre materialets massefylde med intet mindre end 1100%.
Reduktion af top-accelerationen under kollisioner
Beskyttelsesudstyr har endnu en vigtig funktion, nemlig at reducere top-accelerationen under en kollision. I en nyudgivet undersøgelse redegjorde vi for, hvordan auksetisk skum, der er dækket af en stiv ydre skal (og som imiterer strandskallernes dobbelte struktur), i gennemsnit udviser 6 gange så høj en reduktion i top-accelerationen under en kollision, som andet sportudstyr.
Vi forventer, at det er muligt, at reducere den yderligere gennem en optimering af processen, der benyttes i produktionen af skum.
Så auksetisk materiale kan styre acceleration og har et signifikant potentiale som et energiabsorberende materiale til brug i produktionen af kollisionsafskærmning og måtter. Til produktionen af hjelme og stift beskyttelsesudstyr er auksetisk materiale et stift og stærkt letvægtsmateriale.
Til brug i fleksibelt beskyttelsesudstyr kan auksetisk materiales evne til at forme sig som en konveks, udadhvælvet runding - som findes mange steder på menneskekroppen - bruges til at opnå og bibeholde en bedre pladsform, som er mindre restriktiv for sportsudøverne i alle dynamiske sportsaktiviteter.
Andy Alderson arbejder for Sheffield Hallam University. Han har modtaget støtte fra EPSRC, Innovate UK, EU Framework Programme. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.
