啄木鸟为什么不得脑震荡？

项目负责人：张雨薇

项目组成员：黄慧雯 田山 姚艳 唐智莉 张冬蕊 吴泽斌 刘景龙

指导教师：樊瑜波 王丽珍

摘要：啄木鸟是一种森林鸟，每天可以消灭1500条左右的害虫，如天牛、吉丁虫、透翅蛾、蝽虫等。啄木鸟捕食时需要啄开树木表层，用舌头勾出隐藏在树干内部的害虫，在此过程中，啄木鸟的头部展现了出色的抗冲击能力。啄木鸟在啄木过程中的冲击速度高达6m/s～7m/s，最大加速度能够达到2170m/s2，这一数值甚至远远高于火箭发射时的加速度数值。啄木鸟是如何在高速的冲击中减少对自身头部损伤的呢？本项目将以生动有趣且通俗易懂的漫画形式向大众展示啄木鸟头部的解剖结构、头部抗冲击生物力学机制以及头部抗冲击机制成果转化应用的最新研究进展，让大众了解啄木鸟的“神奇”之处及其原理，同时增加大众对生物力学发展趋势以及科学前沿技术的了解，提升大众对仿生科学的兴趣，激发大众对神奇自然界的探索热情，吸引更多人参与医工结合的仿生研究。

一 项目概述

（一）研究背景

啄木鸟是常见的留鸟，是著名的森林鸟，可消灭树皮下的害虫，如天牛、吉丁虫、透翅蛾、蝽虫等，每天能吃掉1500条左右。啄木鸟捕食时需要啄开树木表层，用舌头勾出隐藏在树干内部的害虫，在此过程中，啄木鸟的头部展现了出色的抗冲击能力。研究表明，啄木鸟在啄木过程中的冲击速度为6m/s～7m/s，最大加速度能够达到2170m/s2，这一数值甚至远远高于火箭发射时的加速度数值。啄木鸟是如何在高速的冲击速度中减少对自身头部损伤的呢？

1.喙部结构

喙部是鸟类的一个十分重要的结构，在啄木行为中，喙部是最先接受冲击的部位。鸟类学家的研究表明，啄木行为会使喙部结构发生一些变化。第一，啄木行为越专业，喙部结构越直。啄木鸟曲率较低的喙部结构特点更有利于承载啄力，而其他曲率较高的鸟喙承载咬合力的能力更强。第二，除去喙部外层的角质部分后，啄木鸟上下喙的骨质结构长度并不相等。王丽珍等发现啄木鸟的喙部结构中，下喙的骨质部分略长于上喙的骨质部分，这样的结构造成的结果是，在啄木鸟啄木时，冲击波沿喙部的角质部分传递而来，由下喙的骨质部分先承受，这使得头部下方和颈部承受冲击中的绝大部分力量，从而保护了位于头部上方的脑组织。他们又进一步提出，啄木鸟上下不等长的喙部骨质结构和强壮的翼直肌为其提供了一个冲击吸收系统。Lee等运用材料学观察手段发现了啄木鸟喙部的分层结构，主要有三层，分别是外层的喙鞘、中层的泡沫状结构和内层的骨质结构。受啄木鸟喙部和颈部防冲击系统的启发，美国的研究人员设计了新型橄榄球运动员防护装置，通过在橄榄球头盔底部与运动员肩部之间加装多个动态稳定装置，在碰撞时限制颈部的运动而降低头部的加速度，降低脑损伤的发生概率。

2.舌骨结构

舌骨是大多数鸟类都有的一种在喙部及头部内的骨结构。啄木鸟的喙部结构相对其他鸟类较长，自喙部下侧开始，分左右岔绕到颅骨后侧，并在前额前方再度交会。王丽珍等发现啄木鸟的舌骨明显长于戴胜鸟等其他鸟类，啄木鸟在啄木过程中将撞击力集中于下颚，避免应力传导到脑部，因此舌骨有近似安全带的特性和动力吸振器的作用。还有研究分析了舌骨黏弹性的材料性能，其有利于将鸟喙部的应力进行分散。还有研究发现，舌骨和肌肉给第一颈椎提供了强有力的约束，因此减少了颈部的相对运动。Jung等人发现了啄木鸟舌骨的关节连接结构和分层结构。目前，已经出现了一些根据啄木鸟舌骨的抗冲击机理设计的仿生学系统和设备，如汽车座椅安全带，通过改变发生碰撞时的受力点，起到保护乘客颈部和头部的作用。

3.颅骨结构

啄木鸟的颅骨是保护啄木鸟脑组织不受外部冲击的坚实屏障。1976年，May首先描述了啄木鸟颅骨夹层的“海绵状”松质骨结构。王丽珍等首先通过计算机显微断层扫描技术（Micro-CT）扫描了大斑啄木鸟、戴胜鸟和百灵鸟的颅骨，发现啄木鸟的颅骨具有更紧密的排列方式、更“厚实”的结构，并且骨小梁的形状更加接近于板状，啄木鸟颅骨特殊的微观结构特性或许有助于保护其脑组织。随后他们还发现和戴胜鸟、百灵鸟相比，大斑啄木鸟颅骨的松质骨结构能够更加有效地承受外部冲击力。目前，已经有研究者仿照啄木鸟特殊的颅骨松质骨结构，设计了仿生头盔夹层结构，形成了类似于骨骼构造的“三明治”结构。受到啄木鸟颅骨松质骨多孔结构的启发，李宁公司推出了新一代的减震跑鞋，该新型跑鞋的多孔气垫鞋底采用弧形设计，起到了很好的减震作用。除此之外，啄木鸟在啄木过程中眼睛闭合、“摇头”前冲等有效减震方式都具有一定的仿生应用前景。

（二）研究过程

项目组承担本项目之后，首先调研了大量啄木鸟头颈部抗冲击科学原理的文献资料及啄木鸟头颈部抗冲击机制成果转化应用，进行信息调查与整理。随后根据收集的资料，项目组确立了啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制及其仿生学应用的科普内容与科普要点，明确四个系列科普漫画的主题与重点，并与多位专家教授讨论，以确保科普内容的科学严谨性。

接下来就是漫画的创作过程。我们依据啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制及其仿生学应用的科普内容与科普要点，结合漫画设计中力求通俗易懂、形象生动、配文简洁等原则，首先，完成了漫画的大致故事情节与主角设定。其次，完成了漫画的主要形象设计、故事内容设计、漫画角色对话确定及版式设计等，细化到每个系列的每一幅漫画，将啄木鸟头部解剖结构、啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制及其仿生学应用等科普要点融入漫画形象、故事情节与配文，并参考专家教授与部分科普受众的建议对漫画内容等进行完善。再次，根据设计的漫画内容完成手绘稿，包括线稿与填色稿，并进行漫画的修饰与后期处理。最后，项目组将漫画与配文进行排版设计，编辑成微信文章用于线上科普的推广宣传，漫画稿排版设计成科普漫画册，印制成册用于线下科普的推广宣传（见图1）。

图1 研究方法与技术路线

（三）研究内容

本项目的主要研究内容为制作四个系列的科普漫画。四个系列科普漫画的具体内容如下。

1.引子——啄木鸟居然没得脑震荡

啄木鸟是一种森林益鸟，为了从树皮下觅食和在树干上凿洞，这些身长20～40厘米的小鸟，平均每日重复啄木8000～12000次，将喙部以20次/秒的频率和1200m/s2的加速度撞击树干，这相当于我们骑着自行车以25.7km/h的速度每天撞墙12000次。我们骑着自行车，一旦以此速度撞击一次墙壁，就是非死即伤，脑震荡更是绝对的大概率事件，啄木鸟却依旧活泼无恙，这不得不令人称绝，它们头部神奇的生理构造和功能究竟是什么样的？

因此，第一部分的科普内容介绍了啄木鸟的基本特征、啄木鸟啄木的速度及加速度、啄木引起的冲击力等内容，引出了“啄木鸟为什么不得脑震荡”这一问题和主题。

2.啄木鸟抗冲击的第一道防线——上下喙和颈部肌肉

啄木鸟下喙骨质部分比上喙骨质部分长1.6毫米。所以，在啄木的过程中，冲击波沿喙部的角质部分传递而来，由下喙的骨质部分先承受，使得头部下方和颈部承受冲击波中的绝大部分，从而保护了位于头部上方的脑组织，使其受到的冲击波减少。同时，被引导到舌骨和颈部的冲击波，在具有“安全带”特性的舌骨和颈部强壮的翼直肌的保护下被成功吸收。

这种长下喙—翼直肌结构已被应用于橄榄球头盔的设计。头盔的底部有略微凸出的部分，且头盔底部与运动员肩部之间加装动态稳定装置，模拟啄木鸟的翼直肌对冲击波的吸收作用，降低橄榄球运动员脑损伤的发生概率。

3.啄木鸟抗冲击的第二道防线——“安全带和动力吸振器”——舌骨

啄木鸟的舌骨结构“巧夺天工”，舌骨从其喙部开始绕过后脑，一直延伸至额部上沿，形成一个类似“安全带”的结构。啄木鸟舌骨明显长于其他鸟类，舌骨有3个关节，由4个部分组成。在啄木过程中，啄木鸟的舌骨前端和头部始终在一个直线上，使得冲击力作用于舌骨，而舌骨特殊的骨质结构和关节结构会对头颈部进行约束，具有近似“安全带及动力吸振器”的作用，通过撞击前收缩的方式，吸收冲击能量，达到减震的效果。

舌骨近似“安全带”的特性，可以用于车辆安全带及航空航天防护背带的设计。车辆内凹式保险杠的设计就借鉴于此：当车辆发生碰撞时，保险杠使前后车发生嵌入连接并尽量处于一条直线上，避免旋转力和撞击力叠加，能尽量减轻车内人员的损伤。

4.啄木鸟抗冲击的第三道防线——“天然抗震头盔”——头骨

啄木鸟的头骨结构很有趣，具有双层结构，外层为较薄且致密坚硬的头盖骨，中间是一层较厚且较稀疏的“海绵层”骨，里面包裹着啄木鸟的脑组织。在啄木冲击过程中，坚硬的外层头盖骨充当“引流器”，能分散冲击形成的冲击波，使其不会因集中在头部某一点而产生伤害；“海绵层”骨就像是三明治中的夹层，它不是实心的，具有特殊的三维结构，大部分呈板状，中间富含空气，且在头颅中分布不均匀，在受到压缩时，各个部位受力非常平均，充分吸收冲击波。密与疏两层骨质相互配合，在强大的冲击力下也能很好地保护啄木鸟的脑组织。

目前这种特殊的海绵状骨结构，已被应用于头盔夹层的设计。该夹层位于坚硬的头盔外层和需要保护的人体头部之间，模拟啄木鸟头部“海绵层”骨的几何结构，吸收并均摊冲击导致的冲击波。另外，李宁新一代的跑鞋也参照这种特殊的“海绵层”骨结构，设计了弧形的多孔气垫鞋底，具有很好的减震效果。

二 研究成果

本项目最终研究成果为兼具趣味性、科学性及艺术性的四个系列科普漫画。

（一）引子——啄木鸟居然没得脑震荡

该系列漫画为大众科普了啄木鸟的基本特征以及啄木鸟每日啄木速度之快、加速度之大的啄木现象。通过小啄木鸟与啄木鸟妈妈的对话引出对啄木鸟没得脑震荡深层次原因的探究，并引出后续系列漫画。封面和引子的成果见图2至图7。

图2 漫画册子外封面

图3 漫画册子内封面

图4 漫画开始

图5 漫画角色介绍一

图6 漫画角色介绍二

图7 引言漫画——啄木课程

（二）啄木鸟抗冲击的第一道防线——上下喙和颈部肌肉

该系列漫画为大众科普了啄木鸟上下喙骨质结构以及颈部肌肉在头部抗冲击能力中的作用，展示了啄木鸟不等长的上下喙骨质结构、下喙对震荡波的引流和对脑组织的保护、颈部肌肉对震荡波起到的吸收作用，以及在橄榄球运动员头盔设计中的应用。该系列漫画成果见图8及图9。

图8 上下喙与颈部肌肉漫画一

图9 上下喙与颈部肌肉漫画二

（三）啄木鸟抗冲击的第二道防线——“安全带和动力吸振器”——舌骨

该系列漫画为大众科普了啄木鸟舌骨的基本结构、防冲击原理及仿生应用。展现了啄木鸟类似“安全带”和“动力吸振器”结构的舌骨结构和舌骨撞击前收缩、减震并吸收冲击能量的过程，以及在车辆安全带及航空航天防护背带设计中的应用。该系列漫画成果见图10及图11。

图10 舌骨漫画一

图11 舌骨漫画二

（四）啄木鸟抗冲击的第三道防线——“天然抗震头盔”——头骨

该系列漫画为大众科普了啄木鸟头部巧妙分布的“海绵层”骨的结构特点，及其在头部抗冲击中起到的作用，展现了啄木鸟有趣的双层头骨结构、头部皮质骨与松质骨非均匀分布的特点，以及在头盔夹层设计和多孔气垫鞋底中的应用。该系列漫画成果见图12及图13。

图12 头骨漫画一

图13 头骨漫画二

（五）漫画结尾

漫画的结尾是小册子的底部封面，即小啄木鸟在学习啄木技能后，依靠上述种种“防震技能”，和妈妈一起承担起保护森林健康的任务（见图14）。

图14 漫画结尾

三 创新点

（一）科普内容“通俗化”

本项目科普漫画选题视角独特，首次以啄木鸟为科普对象，介绍其头颈部抗冲击能力的仿生学研究。以通俗易懂的系列漫画形式，将啄木鸟舌骨的“安全带和动力吸振器”作用、“海绵层”骨充当“空气弹簧”起缓冲作用、头盖骨充当“引流器”分散震荡波作用、长下喙—颈部肌肉吸引和吸收震荡波作用等的抗冲击生物力学机制向大众科普，使仿生学的科学原理和大自然的神奇之处得到广泛科普，架起读者对科学世界进行探索的桥梁。

（二）兼具艺术性和趣味性

漫画作品均由手绘完成，制作精美、风格清新、配色舒适、吸引力强。同时，漫画中的主角形象亲和力强，其不仅是一个二维的漫画形象，更是带领读者探索科学世界的朋友。此外，故事内容丰富有趣、深入浅出、节奏明快、逻辑性强。

（三）结合实际应用“接地气”

除了啄木鸟的仿生学发现，本项目还进一步科普了这些原理在日常生活中的具体应用，如车辆安全带、航空航天防护设备、车辆内凹式保险杠、跑鞋气垫鞋底和橄榄球头盔，将其机制和作用直观、清晰地展现出来。

（四）科普宣传具有“广泛性”

本漫画覆盖人群广，5周岁及以上的读者人群均适用。

四 应用价值

本项目用生动有趣、通俗易懂的系列漫画形式，为大众介绍啄木鸟头部解剖结构、啄木鸟头部抗冲击生物力学机制，以及啄木鸟头部抗冲击机制成果转化应用的最新研究进展，使大众了解啄木鸟的“神奇”之处和啄木鸟抗冲击生物力学机制的研究现状，同时增加大众对生物力学发展趋势以及科学前沿技术的了解，提升大众对仿生科学的兴趣，激发大众对神奇自然界的探索热情，吸引更多人参与医工结合的仿生研究。在项目实施过程中，主要遵循以下三个原则。第一，生动有趣，将晦涩枯燥的科学原理用拟人化的漫画形象、直白的语言和直观的图片加以转化，从而更好地展示啄木鸟的解剖结构、各个结构在抗冲击中起到的作用和原理，以及啄木鸟仿生结构在安全带、航空航天防护设备、车辆内凹式保险杠、跑鞋气垫鞋底和橄榄球头盔设计中的实用性帮助。第二，仿生科学原理化繁为简，将啄木鸟的解剖结构（舌骨、头骨、上下喙、颈部肌肉）和不同特殊结构防冲击机制以及相应仿生结构在车辆、体育运动、航空航天中的应用，仅用十几张科普漫画图片和相应的配文清晰地展示出来，保证不同年龄层次和不同文化背景的人能够全面了解动画中的内容。第三，结合生活实际，在介绍啄木鸟头部抗冲击机制的仿生学应用之时，使用车辆保险杠、头盔、跑鞋等常见且易于理解的应用，让公众看到仿生学的广泛应用及价值。

参考文献

1.赵正阶.中国鸟类志［M］.长春：吉林科学技术出版社，2001：18-108.

2.May P R，Fuster J M，Haber J，et al. Woodpecker Drilling Behavior：An Endorsement of the Rotational Theory of Impact Brain Injury［J］. Archives of Neurology，1979，36（6）：370-373.

3.Gibson L. Woodpecker Pecking：How Woodpeckers Avoid Brain Injury［J］. Journal of Zoology，2006，270（3）：462-465.

4.Wang L，Cheung J T-M，Pu F，et al. Why do Woodpeckers Resist Head Impact Injury：A Biomechanical Investigation［J］. PloS One，2011，6（10）.

5.Zhu Z D，Ma G J，Wu C W，et al. Numerical Study of the Impact Response of Woodpecker’s Head［J］. AIP Advances，2012，2（4）.

6.Liu Y，Qiu X，Zhang X，et al. Response of Woodpecker’s Head During Pecking Process Simulated by Material Point Method［J］. PloS One，2015，10（4）.

7.Jung J Y，Naleway S E，Yaraghi N A，et al. Structural Analysis of the Tongue and Hyoid Apparatus in a Woodpecker［J］. Acta Biomaterialia，2016，37：1-13.

8.Wang L，Lu S，Liu X，et al. Biomechanism of Impact Resistance in the Woodpecker’s Head and Its Application［J］. Science China-Life Sciences，2013，56（8）：715.

9.Lee N，Horstemeyer M，Rhee H，et al. Hierarchical Multiscale Structure-property Relationships of the Red-bellied Woodpecker （Melanerpes carolinus） Beak［J］. Journal of the Royal Society Interface，2014，11（96）.

10.May P A，Fuster J，Newman P，et al.Woodpeckers and Head Injury［J］.The Lancet，1976，307（7973）：1347-1348.

11.Wang L，Niu X，Ni Y，et al. Effect of Microstructure of Spongy Bone in Different Parts of Woodpecker’s Skull on Resistance to Impact Injury［J］. Journal of Nanomaterials，2013：1-6.

12.Evenski D. Headstrong：Concussion Reduction Using Biomimicry［J］. 2017.

13.Schwab I R. Cure for a Headache［J］. British Journal of Ophthalmology，2002，86（8）：843.