2.3 振動緩沖結構——啄木鳥頭骨

啄木鳥以20Hz的頻率啄樹捕蟲，相當于以25km/h的速度撞樹，那么問題來了，為什么這么高強度的撞擊，頭部卻不受絲毫損傷呢？學者們通過研究發(fā)現，鳥類的骨骼以輕而堅固為最大特征，是因為頭骨的結構并非實心結構，而是一層高度愈合的蜂窩狀結構。毫無疑問，這是自然選擇的結果，這樣的結構必然會使鳥類更適應于生存環(huán)境與日常生活^[4]。

啄木鳥天生具有高超的減振吸能本領，能夠將振動和沖擊的影響減弱至最小。大部分啄木鳥屬于留鳥，長期生活在樹林中，以啄食樹皮中的昆蟲為生，由于啄木鳥能夠消滅大量危害樹木生長的昆蟲，因而得名“森林醫(yī)生”。啄木鳥具有強直而堅硬的喙，可以用來鑿開樹皮，具有鋒利的爪子和粗壯堅硬的尾羽，能夠在啄木時保持身體的平衡。啄木鳥與其他鳥類在生理結構上最大的區(qū)別在于，它有一條三倍于上頜長度的舌骨，這個極長的舌骨在腮下頜肌等肌群的控制下可以自由地伸出和收回，便于啄木鳥在很深的樹洞中捕食昆蟲。圖2-2所示為大斑啄木鳥以及其顱骨、喙骨的微觀顯微圖，當啄木鳥晃動頭部反復鉆木捕食昆蟲時，我們只會看到木頭很快出現凹洞，并沒有看到啄木鳥的頭部出現沖擊性損傷，足見啄木鳥頭部的抗沖擊性非同一般^[5]。這一神奇的現象引起了很多科學家極大的興趣與關注，他們開始對啄木鳥的頭骨結構進行研究，經過研究發(fā)現，啄木鳥顱骨內包含許多骨小梁，相對于一般動物的頭骨，啄木鳥頭骨內的骨小梁具有更大的厚度、更多的數量以及更緊密的間距，這種特殊的結構特點使得啄木鳥在啄木過程中雖然加速度很高，頻率很快，但是受到的沖擊變形非常小。當然，造成這一原因不僅僅是歸功于啄木鳥的頭骨，沖擊能量總需要通過變形去吸收，既然頭骨引起的變形較小，那么一定有變形較大的部分會吸收這部分沖擊能量，那就是啄木鳥的喙。特殊的生理結構使啄木鳥適于啄木，而它高超的抗/減振本領則體現在它的啄木過程中，啄木鳥的喙具有較大的棒狀結構和更薄的骨小梁，會導致沖擊過程中更大的變形，從而將沖擊能量在喙處得到大量的吸收和分散，因此傳輸到大腦的沖擊就會降低。

圖2-2 大斑啄木鳥以及顱骨、喙骨的微觀顯微圖

通過對啄木鳥啄木時的能量傳遞過程進行分析可知，啄木鳥頭骨和喙骨獨特的微觀結構和組成成分造就了啄木鳥對于頭部沖擊性損傷的良好抵抗性。鳥頭和嘴尖的運動軌跡幾乎呈一條直線，即啄木鳥在啄擊時巧妙地避開了頭部旋轉，這樣在啄擊時就不會產生旋轉方向的切應力。啄木鳥與樹木的碰撞作用時間為0.5~1ms，其間最大的沖擊速度為5~7m/s，而最大的減速度則高達（700~1200）g，這遠遠超出了人所能承受的最大加速度。同時，還發(fā)現啄木鳥在啄樹前會像木匠一樣地輕敲樹干幾下，才開始快速地啄擊，在嘴尖即將碰到樹木之前，啄木鳥會閉上眼睛，并在碰撞結束時睜開，這可能是為了防止啄開的木屑飛入眼中。基于這種結構設計，科學家設計研發(fā)了大量的仿生減振系統和設備，圖2-3所示為仿啄木鳥頭部的減振裝置，其中微型電子設備抗振裝置是典型代表，位于金屬外殼之內的微粒床，通過自身的振蕩，控制了不需要的高頻機械激發(fā)，使不利影響保持在可接受限度之內。

圖2-3 仿啄木鳥頭部減振裝置