最近的一项研究显示，啄木鸟在啄木时，对冲击能量的转化与耗散可以有效保护大脑，这一发现为新型减振结构和大脑保护装置的设计提供了思路。 相关研究论文题为 “ 啄 木鸟连续撞击过程中的能量转化与大脑抗冲击保护 ”（Energyconversion in woodpecker on successive peckings and its role on anti-shockprotection of brain），为 《中国科学：技术科学》 英文版2014年第7期封面文章，由大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室吴承伟教授研究团队完成。 航天飞行器、汽车等，在受到高速撞击时可能会发生破坏，危害乘客及科学仪器的安全；高精密的微机械设备在受到高频振动时，会引起内部结构的损坏，失去使用功能；人的头部在受到运动冲击时，也会引起脑组织损伤，导致大脑功能暂时或永久性的丧失。这些碰撞和冲击很难防护，带有很强的破坏性。然而在自然界中，啄木鸟却能很好地应对啄木中产生的冲击，它工作时的频率高达每秒25次，最大啄击速度和加速度达到7 m/s和1200 g，但啄木鸟却从未出现大脑损伤。这其中的奥秘何在？ 为了解释这一现象，吴教授的团队采用CT扫描、三维几何重构以及数值仿真等手段对啄木鸟的连续啄击过程进行了研究。该研究首次研究了啄木鸟的全身结构与组织在连续啄击过程中的能量传递与转换规律，用计算力学方法分析了连续啄木过程应力的分布情况（图1），能量在身体中的分布与转化，以及头颅内部各组成结构的吸能特点。研究表明，啄木鸟的身体吸收了大量的啄击能量，头颅内部组成结构对大脑形成了减振保护，大脑内部的冲击能量以热能的形式耗散引起温升。 图 1 啄木鸟完整模型的啄木过程示意。（ a ）和（ e ）为啄木准备时刻，（ b ）和（ d ）为啄击和返回过程，（ c ）为碰撞发生时刻，图中的双向箭头给出了速度方向。 研究者发现，啄木鸟对于冲击的防护并不像传统观念认为的那样，仅仅局限于头颅，身体作为整个鸟的主体部分，不仅在啄木时起到支撑作用，而且极大地减小了传递到头颅中的冲击能量。大脑在头颅内部结构的保护下，最终将冲击能量以热能的形式耗散掉，产生大脑的升温。也就是说，啄木鸟不可能长时间地连续啄击，而需要间歇性的休息，这与实验观察情况相一致。 该研究结果从全新的角度深入分析了啄木鸟大脑的抗冲击机理，对于航天飞行器、汽车、高精密科学仪器，以及人体头部保护装置的设计有很强的参考价值，也为碰撞和冲击防护这一类问题提供了新的研究思路和方法。 研究得到了国家自然科学基金 (批准号: 11272080)、教育部博士点教育基金(批准号:20110041110021)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(批准号:DUT14LK36)资助。 研究详情请见原文 ： ZHU ZhaoDan, ZHANG Wei and WU ChengWei. Energy conversion inwoodpecker on successive peckings and its role on anti-shock protection ofbrain. SCIENCE CHINA Technological Science. 2014, 57(7): 1269–1275. http://tech.scichina.com:8082/sciEe/EN/abstract/abstract514700.shtml
头部是中枢神经系统即大脑所在部位，交通、体育运动等领域事故及航空救生中损伤种类研究表明头部损伤是导致人体重伤甚至死亡的主要原因之一。而大自然中的啄木鸟，啄木时其瞬间加速度可高达1000～2000g，每次撞击频率18-22赫兹，每天可撞击12,000次，但在这过程中它却能“毫发无损”。在10月26日出版的网络版美国学术杂志《公共科学图书馆》上(PLoS ONE，6（10）：e26490)，北京航空航天大学生物医学工程学院“生物力学与力生物学”教育部重点实验室樊瑜波教授的团队揭开了啄木鸟能够高速撞击树干而不受损伤的秘密（发表论文Why Do Woodpeckers Resist Head Impact Injury: A Biomechanical Investigation），该研究发表后立即引起国际科学技术媒体的广泛关注。 经过两年的研究，该课题组利用运动生物力学观测、解剖形态学、材料力学特性分析、有限元应力分析等方法全面分析了啄木鸟撞击树干的过程。该研究全面、深刻、系统地解释了啄木鸟在高速撞击下无损伤的科学原理。该研究比较了啄木鸟及具有类似啄食特点的其他鸟在啄物过程中头部运动方式的差异，发现啄木鸟头部不仅具有线性加速度，还伴有旋转加速度；通过形态学观测手段，发现啄木鸟上下喙部结构具有不等长的特点，其下喙坚硬承载部分比上喙长1.2毫米，这使得撞击时的应力可集中于下颚，从而避免了撞击力转递到脑部造成脑损伤。研究发现啄木鸟特殊的舌骨能够有效地减缓其颈椎受伤风险，啄木鸟舌骨自其鸟喙下侧开始、左右分叉绕到颅骨后侧、延伸到上方，并在前额前方再度交会。啄木鸟啄树干的过程中，不仅需要用力向前撞击，头部向后摆动时的速度、加速度也非常大，而特殊的舌骨此时就好像是“安全带”，有效地避免了颈椎向后折断。此外，Micro-CT扫描显示，啄木鸟颅骨有不同于其它鸟类的海绵状的骨小梁，可使颅骨更有“弹性”，啄木鸟头骨的特殊形态结构可以有效地缓冲撞击。对于啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制的深入研究将有助于交通事故、航空救生等领域人体头部冲击性损伤机制的认识及防护措施、设备的改进。
Fujia 发表于 2009-06-15 11:15 在科学以不可思议的速度前进着的21世纪里，科学家们在忙于制造干细胞、原子对撞机与智能机器人，也有的科学家在关心啄木鸟，一种看似平常的小鸟。 啄木鸟以树林医生而为众人所知。早在1859年，退隐乡间的达尔文便开始关注啄木鸟。他在《物种起源》里写着：啄木鸟以其足、尾、喙与舌的结构，如此令人赞叹地适于捕捉隐藏于树皮下的虫子。 这位老人由此例证，窥见了适者生存的自然规律。从此生物学开始书写一页新的篇章。这个长约20-40厘米的小鸟为了觅食生存，每日重复1.2万次，将喙部以20次每秒的频率用1200克力（约12牛）撞击树干，相当于我们骑着自行车（25.7公里每小时）每天撞墙12000次。而小鸟依然活泼无恙，不得不令人称绝。 有着这样高强度的日夜脑部撞击劳动，为何小鸟并不得脑震荡？加州大学戴维斯分校的斯瓦伯（Ivan R Schwab）发现，啄木鸟凿子似的喙部由坚硬的骨头覆以纤维制成，底端布满厚厚的海绵状骨质与软骨，以减弱震荡。喙部以强劲的肌肉与头部骨骼相连，在啄木鸟撞击树木的一毫秒前，肌肉收缩以缓冲冲量，使得撞击强力不经过大脑，直接传递于头骨底部与后部，用以保护大脑。另外，啄木鸟的大脑、眼部与舌头等，亦有林林总总防止其大脑损害的保护措施。斯瓦伯在论文结尾处耍了把幽默：当你抱怨头疼时，请想想勤劳的啄木鸟。他由此也获得了2006年的搞笑诺贝尔奖。 加州大学伯克利分校的尹相熙（Sang-Hee Yoon）于是灵机一动，仿造啄木鸟头部的结构，设计了军用微电子设备的保护机制。在冲击记录仪等军用仪器上，小巧的电子元件设备经常需承担极高的冲力与冲击频率，极易受损。尹相熙将电子设备比作啄木鸟的大脑，以啄木鸟的头骨为蓝本设计了放置微小电子设备的金属盒件，又仿造啄木鸟的海绵状骨质设计了一层晶粒保护层，包裹着电子设备并充斥于金属盒的空间中。此晶粒保护层由微米级的玻璃晶须组成，可以减少微小电子设备的震荡，并将冲量转移至金属盒件，以保护昂贵的微小电子设备。尹相熙认为，从啄木鸟处学得的这个方法，简便易行、极其有效却耗费甚少。 当加州的斯瓦伯与尹相熙感兴趣于啄木鸟头部的减震机理时，英国巴斯大学机械系的维森(Julian Vincent)教授却在好奇：为什么啄木鸟可以在70毫米的短暂距离内获得一个极高的速度（3.6米每秒）用以撞击？通过高速摄像分析啄木鸟的捕食过程，维森发现每次撞击树干时，啄木鸟的身体先行，通过脖子带动头部进行运动。这样一个转换的过程，有效地在短距离内使头部达到一个极高的速度，得以产生极大的冲量使喙部凿开树皮。 在维森教授眼中，锤子这一发明于石器时代，已被人类使用过千万年的工具，依然需要很大的改进。于是，维森教授决定打造一把啄木鸟牌用以钻探的锤子。在测试了啄木鸟身体结构的各个参数后，维森教授设计了一把仿造啄木鸟身体的轻巧锤子，曲柄以连杆与马达连接，并以有助减震的弹簧与锤头连接。当锤子使用时，马达提供动力，带动曲柄运动，通过连接的弹簧使锤头运动距离放大，以在锤子短距离运动内达到高速。由于啄木鸟的身体构造同样适合飞行，进化论学者认为此为极轻结构。于是维森教授使用啄木鸟身体参数所仿造得的锤子，也许便是世界最好用且轻巧灵便的锤子了。维森教授认为，此锤子在没有重力作用的太空中使用时，可以方便对物体施力，避免由于失重所造成的各种问题。由于此锤子也极适用于在狭小空间中运用，维森教授预测其在牙科手术里也可派上大用场。 如果自然是一本书，那我们远未至读尽,用尽它的一天。小小啄木鸟的生存之道，启迪了人类灵感，成为造福人类的工具。岁月流逝，人类叩问自然，以追求技术发展的脚步永不停息。 Reference DARWIN, C. CHARLES, On the origin of species. SCHWAB, IVAN R, Cure for a headache, Br J Ophthalmol, 86/8 (August 1, 2002 2002), 843-. SPRING, LOWELL WAYNE, Climbing and pecking adaptations in some North American woodpeckers, (1963). VINCENT, J., SAHINKAYA, M., and OSHEA, W., A woodpecker hammer, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 221/10 (2007), 1141-47. YOON, Woodpecker-inspired shock isolation by microgranular bed, Journal of physics. D, Applied physics, 42/3 (2009). 图片来源： Woodpecker getting rid of his wood by (Bill and Mavis)BM
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