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北京航空航天大学学者揭开啄木鸟头部撞击免受损伤的秘密

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来源: 作者: 2019-05-17 00:36:39

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,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乃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进程中头部运动方式的差异,发现啄木鸟头部不但具有线性加速度,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,不但需要用力向前撞击,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。

文章发表后,国内外媒体,如科技、Dallas News、BBC、 Physorg、Independent、GlobalPost、Science Journal Feeds、RedOrbit、Latest China, Bio-M华为成功通过IPv6日全部测试力争迁移大潮上游
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cine, Toronto Star, ThunderFeeds, LabSpace等纷纷报道。

该项研究是由北京航空航天大学、香港理工大学、李宁公司的研究人员协作完成,并得到了国家自然科学基金的资助。

啄木鸟头部动态应力分布图

啄木鸟舌骨动态应力分布图

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