它以头撞树却不得脑震荡!启发了安全帽的发明——啄木鸟

人类的很多发明创造都是从大自然中获取灵感,尤其是对动物特殊本领的模仿,解决了人们现实生活中遇到的问题。这节课要给大家介绍一种可以用嘴巴钻树的动物——啄木鸟。

啄木鸟是一种非常有名的森林鸟类,主要捕食树皮下的害虫,平均每天可以吃掉1500条虫子,被形象地称为“森林医生”。啄木鸟一生都在树上度过,它可以攀援在直立的树干上,用爪子、尾羽来固定和支撑身体。

啄木鸟捕食的时候,会用它长而坚硬的喙来啄木,看起来像是一把锤子在不停地敲打。啄木鸟可以轻而易举地击碎木头,其力量1000倍于地心引力,速度可达7米每秒,如同一台“超级电钻”在厚重的木头上钻出洞眼,再用带有倒钩的长舌头将害虫卷出,吃掉。而且,啄木鸟非常“勤快”,1秒钟就可以啄击20次,平均每天啄木近12000次。

让人们非常好奇的是,啄木鸟每天频繁的撞击树木,为什么不会得脑震荡呢?它是怎么保护自己的大脑不受伤的呢?

经科学家研究发现,啄木鸟的头部结构非常精巧,可以说是一个复杂的减震系统。

首先,啄木鸟的大脑很小,只有2克左右,同时大脑与头骨的接触面积很大,能更容易地分散掉撞击力。而且,它头骨与大脑的间隙非常狭窄,几乎没有给大脑留下晃动的空间。

其次,啄木鸟的头骨结构非常特别,又厚又密,其中有很多蜂窝状的小孔,很像头盔里的泡沫。这种网状的微结构聚合成“防撞头盔”,包裹着大脑,给大脑提供保护。

接下来就是它的敲击方式。啄木鸟的每一击都是笔直的,喙就像电钻,垂直钻进树木,避免了扭曲力。它的喙还有许多微小的杆状结构和较薄的小梁可以吸收冲击力。

最神奇的要数它的舌头。啄木鸟的舌头不仅长,更重要的是它像一个弯曲的弹簧,舌头的底部一分为二,环绕大脑,就像给大脑系上了安全带,起到缓冲作用,保护大脑免受冲击。

这么强大的减震装置不得不让人赞叹,同时也启发人们设计出可以保护大脑的安全帽。人类的大脑体积大,更容易受到伤害。安全帽可以起到很好的保护作用,因此被广泛应用于建筑、冶金、电力、机械制造等领域。

安全帽的设计原理即模仿了啄木鸟头部的减震结构。在安全帽里面有用于缓冲的帽衬,帽壳与帽衬之间有25~50毫米的间隙,让帽顶与头顶间留有空隙,有的还在其中放入轻且有弹性的海绵状填充物。当物体击中安全帽时,通过帽衬缓冲可减少三分之二的作用力,避免帽壳上的冲击力过于集中,而且不会因帽壳受力变形而直接影响到头部。

正是因为啄木鸟的特殊本领,才给人们带来了灵感。未来科学家还将继续在仿生学领域展开深入研究,开发出更强大的头盔,更好地保护我们的安全。

参考文献:
1.Wang L, Cheung JT-M, Pu F, et al. Why do woodpeckers resist head impact injury: a biomechanical investigation[J]. PLoS ONE,2011,6(10):e26490.
2.Junga JY, Nalewaya SE, Yaraghi NA, et al. Structural analysis of the tongue and hyoid apparatus in a woodpecker[J]. Acta Biomater,2016,37:1-13.
3.https://www.beautyofbirds.com/woodpeckertapping.html
4.https://www.nationalgeographic.com/animals/article/woodpeckers-brains-injuries-birds
5.佘启元.个体防护装备技术与检测方法[M].广州:华南理工大学出版社,2006.
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