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这是因为啄木鸟具有惊人的能力,可以承受高速啄食对头部的巨大打击,而不会造成脑损伤。
啄木鸟是以头部攻击树木以获取食物为生的鸟类,其嘴部足以咬开树皮并用舌头取出昆虫等食物。啄木鸟的嘴部和颈部都非常坚实,能够承受每分钟达1000次的头部撞击。这样的攻击能力实际上已经超出了啄木鸟的自身需要,那么为什么啄木鸟会有如此强大的头部攻击力呢?
研究表明,啄木鸟的头部结构和脑部组织有着非常复杂的适应性。啄木鸟的头部骨骼非常坚实,头骨和鸟嘴之间带有弹性的缓冲层,能够减少头部碰撞时的冲击力。啄木鸟的脑部也演化出了许多独特的特征,比如颈动脉的扩张和脑室增大,这些特征共同作用起来,能够在啄木鸟撞击时减少脑部受到的伤害,保护其脑部健康。
“众所周知,啄木鸟会以每秒 18 至 22 次的速度敲击树木的坚硬木质表面,减速度为 1200 克,但没有出现昏厥或脑损伤的迹象。”(“A woodpecker is known to drum the hard woody surface of a tree at a rate of 18 to 22 times per second with a deceleration of 1200 g, yet with no sign of blackout or brain damage.”)
对一些人来说,这提出了一个问题:“鸟儿如何用喙反复撞击一棵树而不造成脑损伤?”
加州大学伯克利分校分子细胞生物力学实验室和机械工程系的一个研究小组是最早对鸟类非凡才能进行实验研究的研究小组之一,旨在开发受啄木鸟启发的新型减震材料 。
金额啄木鸟 Melanerpes aurifrons (golden-fronted woodpecker)
“在这项分析中,利用 X 射线计算机断层扫描图像探索了金额啄木鸟 Melanerpes aurifrons 的头部结构(喙、舌骨、海绵骨和带有脑脊液的颅骨),其减震机制是 用机械振动模型和经验方法进行分析。”
根据分析,研究小组随后创建了啄木鸟减震海绵骨的仿生类似物。 这种名为 BIRD II 的新材料在某些方面与鸟骨相似(尽管截然不同),由紧密堆积的二氧化硅微球组成。 通过向安装在 BIRD II 样品上的电子芯片发射 60 毫米气枪弹丸来测试其潜在的减震性能。 新结构表现非常出色,在 60,000 g 的极高冲击水平下,电子设备的故障率降低至仅 0.7%。
几十年来,这种能力一直让科学家们着迷,而且这种兴趣不仅仅是学术上的。 如果人类能够复制啄木鸟令人印象深刻的抗震机制,我们就可以极大地提高汽车或飞机等车辆的安全功能,这些车辆在发生碰撞时可能是致命的。 科学家们很早就意识到啄木鸟的头骨与其他鸟类不同,但直到现在,他们对啄木鸟的解剖结构实际上如何保护其大脑的了解还很有限。
新的研究使我们离解开这个秘密又近了一步。 中国大连理工大学的研究人员使用计算机断层扫描(CT)扫描现实生活中的啄木鸟,构建了其身体的详细数字模型。 然后他们使用软件模拟鸟类的啄食过程,该过程可以迫使啄木鸟的头部承受高达 1500 克力单位。 为了进行比较,乘坐典型过山车的乘客只会承受大约 5 克的重量。
这项发表在《科学中国:技术科学》上的研究表明,啄木鸟生存的关键在于它如何转换吸收的能量。 当啄木鸟撞击树木时,冲击能(碰撞过程中释放的能量)会转化为体内的应变能。 头部压力过大可能会造成灾难性的后果,但啄木鸟令人难以置信的解剖结构(包括专门的喙和头骨)将大部分压力转移到身体的其他部位,而不是头部。
事实上,99.7%的应变能在啄木鸟的身体中转化,只有0.3%在头部转化。 这种少量的应变很快就会以热量的形式从头部消散。 这个过程可以保护大脑免受损伤,但会导致头骨内的温度迅速升高,这意味着啄木鸟在啄食时必须经常休息。 通过这种方式,啄木鸟的整个身体都参与到保护大脑免受损伤的战斗中。
了解这种能量耗散技术对于工程师来说非常重要,尤其是那些从事交通运输工作的工程师。 对世界上最耐碰撞的动物之一的更多了解可以帮助人类在未来建立更好的安全设施。
因此,下次当啄木鸟用敲击声吵醒您时,请记住,有一天它可能会拯救您的生命。
啄木鸟如何敲击而不损伤大脑
啄木鸟保护头部的能力可能有助于工程师制造更安全的汽车