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在科学以不可思议的速度前进着的21世纪里,科学家们在忙于制造干细胞、原子对撞机与智能机器人,也有的科学家在关心啄木鸟,一种看似平常的小鸟。

啄木鸟以“树林医生”而为众人所知。早在1859年,退隐乡间的达尔文便开始关注啄木鸟。他在《物种起源》里写着:“啄木鸟以其足、尾、喙与舌的结构,如此令人赞叹地适于捕捉隐藏于树皮下的虫子。”这位老人由此例证,窥见了适者生存的自然规律。从此生物学开始书写一页新的篇章。这个长约20-40厘米的小鸟为了觅食生存,每日重复1.2万次,将喙部以20次每秒的频率用1200克力(约12牛)撞击树干,相当于我们骑着自行车(25.7公里每小时)每天撞墙12000次。而小鸟依然活泼无恙,不得不令人称绝。

有着这样高强度的日夜脑部撞击劳动,为何小鸟并不得脑震荡?加州大学戴维斯分校的斯瓦伯(Ivan R Schwab)发现,啄木鸟凿子似的喙部由坚硬的骨头覆以纤维制成,底端布满厚厚的海绵状骨质与软骨,以减弱震荡。喙部以强劲的肌肉与头部骨骼相连,在啄木鸟撞击树木的一毫秒前,肌肉收缩以缓冲冲量,使得撞击强力不经过大脑,直接传递于头骨底部与后部,用以保护大脑。另外,啄木鸟的大脑、眼部与舌头等,亦有林林总总防止其大脑损害的保护措施。斯瓦伯在论文结尾处耍了把幽默:“当你抱怨头疼时,请想想勤劳的啄木鸟。”他由此也获得了2006年的“搞笑诺贝尔奖”。

加州大学伯克利分校的尹相熙(Sang-Hee Yoon)于是灵机一动,仿造啄木鸟头部的结构,设计了军用微电子设备的保护机制。在冲击记录仪等军用仪器上,小巧的电子元件设备经常需承担极高的冲力与冲击频率,极易受损。尹相熙将电子设备比作啄木鸟的大脑,以啄木鸟的头骨为蓝本设计了放置微小电子设备的金属盒件,又仿造啄木鸟的海绵状骨质设计了一层晶粒保护层,包裹着电子设备并充斥于金属盒的空间中。此晶粒保护层由微米级的玻璃晶须组成,可以减少微小电子设备的震荡,并将冲量转移至金属盒件,以保护昂贵的微小电子设备。尹相熙认为,从啄木鸟处学得的这个方法,简便易行、极其有效却耗费甚少。

当加州的斯瓦伯与尹相熙感兴趣于啄木鸟头部的减震机理时,英国巴斯大学机械系的维森(Julian Vincent)教授却在好奇:为什么啄木鸟可以在70毫米的短暂距离内获得一个极高的速度(3.6米每秒)用以撞击?通过高速摄像分析啄木鸟的捕食过程,维森发现每次撞击树干时,啄木鸟的身体先行,通过脖子带动头部进行运动。这样一个转换的过程,有效地在短距离内使头部达到一个极高的速度,得以产生极大的冲量使喙部凿开树皮。

在维森教授眼中,锤子——这一发明于石器时代,已被人类使用过千万年的工具,依然需要很大的改进。于是,维森教授决定打造一把“啄木鸟牌”用以钻探的锤子。在测试了啄木鸟身体结构的各个参数后,维森教授设计了一把仿造啄木鸟身体的轻巧锤子,曲柄以连杆与马达连接,并以有助减震的弹簧与锤头连接。当锤子使用时,马达提供动力,带动曲柄运动,通过连接的弹簧使锤头运动距离放大,以在锤子短距离运动内达到高速。由于啄木鸟的身体构造同样适合飞行,进化论学者认为此为极轻结构。于是维森教授使用啄木鸟身体参数所仿造得的锤子,也许便是世界最好用且轻巧灵便的锤子了。维森教授认为,此锤子在没有重力作用的太空中使用时,可以方便对物体施力,避免由于失重所造成的各种问题。由于此锤子也极适用于在狭小空间中运用,维森教授预测其在牙科手术里也可派上大用场。

如果自然是一本书,那我们远未至读尽,用尽它的一天。小小啄木鸟的生存之道,启迪了人类灵感,成为造福人类的工具。岁月流逝,人类叩问自然,以追求技术发展的脚步永不停息。

Reference

  • DARWIN, C. CHARLES, On the origin of species.
  • SCHWAB, IVAN R, 'Cure for a headache', Br J Ophthalmol, 86/8 (August 1, 2002 2002), 843-.
  • SPRING, LOWELL WAYNE, 'Climbing and pecking adaptations in some North American woodpeckers', (1963).
  • VINCENT, J., SAHINKAYA, M., and O'SHEA, W., 'A woodpecker hammer', Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 221/10 (2007), 1141-47.
  • YOON, Woodpecker-inspired shock isolation by microgranular bed, Journal of physics. D, Applied physics, 42/3 (2009).

图片来源:Woodpecker getting rid of his wood by (Bill and Mavis)B&M

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24 Responses to “啄木鸟,微电子设备与锤子(更新锤子图片~)”

  1. movingtea说道:

    坐啄木鸟的沙发!

  2. whitepigeon说道:

    哈哈,挺有趣的,想起可爱的Woody了……

  3. Marvin P说道:

    没沙发到,以头抢树干……

  4. 水青泽说道:

    造物之妙哉~~~~

  5. 橙色波浪说道:

    仿生学的应用强大,自然帮我们省却很多功夫~~
    不过锤子问世的话,要锤的部件多冲抗力得好才行~

  6. ursulajove说道:

    话说我们学院实验室中也在研究啄木鸟,好像是在用高速摄影在拍……

  7. 炒股入门说道:

    嘴巴刺下回很疼吧

  8. 386671953说道:

    正真的专家研究的成果总是推动着社会的进步

  9. 披上松鼠皮说道:

    这样的身体。在飞行时一定很辛苦吧。

  10. yijia说道:

    啄木鸟很辛苦把

  11. 说道:

    上次和上海科协的老前辈们开会 其中有一位就说:你们既要做松鼠 又要做啄木鸟啊

    啄木鸟就是 嘿嘿 把木头啄开 把虫子衔出来的那种鸟

  12. sjxu007说道:

    人类的发明创造都是对自然现象的“山寨”仿造。

  13. yyy说道:

    人类需要想大自然学习

  14. 嗖付说道:

    启迪了人类 感谢啄木鸟

  15. 幸福的猪说道:

    强烈建议提供锤子的照片~

  16. 来来说道:

    以前都没细想,这样看来,啄木鸟果然厉害耶,真是佩服,也佩服那些善于发现的人们……

  17. 倒立行走说道:

    想看看锤子(我不是四川人哈)

  18. swhgoon说道:

    想看看锤子2~

  19. Fujia说道:

    锤子图片更新啦~

  20. sherry说道:

    想用用那把锤子,看看是不是真的那么好用

  21. Q.T.说道:

    上帝所做的一切,各自在適當的時候顯得美好。他把永恆的意識放在世人心裏,這樣,上帝自始至終的作為,人永遠也探索不盡。

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