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啄木鸟是一种看似平常的小鸟，其实它很神奇，它整天以6-7米/秒的速度啄木取食，为何不得脑震荡?有多少人思考过这个问题？

北京航空航天大学生物与医学工程学院刘文勇博士表示，对于啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制的深入研究具有重要的科学价值，将有助于交通事故、航空航天救生等领域对人体头部冲击性损伤机制的认识，并有助于对防护措施、设备的改进。

文/记者 李鹏 编辑 孙燕燕

如今，我们的科学正在以不可思议的速度前进，制造干细胞、打造智能机器人、纳米发电、克隆动物……各路科学家都在大显身手，当然，也有一些科学家从我们日常生活中可以用到看到的事物展开研究，这不，啄木鸟就是一个典型的例子。

大斑啄木鸟。王丽珍供图

啄木鸟头部遭受到的反作用力

相当于宇航员乘火箭起飞所受压力的250倍

啄木鸟是一种森林益鸟，全球除大洋洲、南极洲以及非洲的马达加斯加岛以外均可见到，大大小小、形形色色有200余种，它们大多数生活在森林或树丛中，在树洞中栖息繁衍，以昆虫和植物果实为食。为了从树皮下觅食和在树干上凿洞，啄木鸟必须用它的长嘴反复地冲击树干。

早在1859年，退隐乡间的大科学家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。”

这些长约20-40厘米的小鸟为了觅食生存，每日啄木重复8000-12000次，将喙部以20次每秒的频率用1200g的加速度(g代表重力加速度)撞击树干，这相当于我们骑着自行车以25.7公里每小时的速度每天撞墙12000次。我们骑着自行车只要来1次，既是非死即伤，脑震荡更是绝对的大概率事件。头部是中枢神经系统即大脑所在部位，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甚至死亡的主要原因之一。而啄木鸟却依旧活泼无恙，这不得不令人称绝。它们实在是太奇葩了吧！

科学家们曾用高速电影摄影机拍摄啄木鸟啄木的照片，发现了一些惊人的数据：

其瞬间加速度可达1000～2000g，撞击频率18-22 赫兹。

啄木鸟啄树达到15次/秒以上，有时每秒高达20次。

啄木鸟的喙尖在找到小虫时会突然停止运动，此时，其头部遭受到的反作用力，约等于所受重力的1000倍，相当于宇航员乘火箭起飞所受压力的250倍。

对人类而言，这种冲击就是绝对致命的。我们知道，当一个人的头部受到猛烈的撞击时(例如在撞车事故中)，往往就会造成脑震荡，轻者昏迷，重者死亡。据推算，如果一个人驾驶着时速为25千米以上的汽车，猛烈地撞击到墙壁等阻碍物体时，这个人多半无法承受如此巨大的冲力和反冲力，即使不亡，也非受重伤不可。

一天到晚守在啄木鸟笼子边

这些年，北京航空航天大学生物与医学工程学院王丽珍博士一直在深入研究啄木鸟为何不得脑震荡的问题。在北航攻读博士学位时，王丽珍的研究方向是生物力学。她对啄木鸟来了兴趣。她想搞清楚啄木鸟身上的一些未解之谜。

王丽珍的导师、北航生物与医学工程学院院长樊瑜波建议她将对啄木鸟的研究和人体损伤结合起来。在樊瑜波看来，啄木鸟啄树给它头部带来的冲击力，远远超过了各类事故中人类头部所受的冲击，啄木鸟的“安然无恙”应该能给人类带来很大启示，通过对内部原因的探求，也可以更好地认识人体损伤时的生物力学机理，提高防护措施。

最终，王丽珍采纳了导师的建议，“啄木鸟为什么不得脑震荡”这个在小学便遇到的问题，最终成为了她的博士毕业论文题目。按照王丽珍和导师的设想，论文的实验首先要用高速摄像机录下啄木鸟啄木的那个瞬间，之后进行数据分析，再输入电脑中的数学模型中。通过对参数和反应分析，来研究“啄木鸟不得脑震荡”的真正奥秘。但这样一个方案，首要任务就是找一只真正的啄木鸟来。

让王丽珍始料不及的是，找到研究用的啄木鸟却很难，她这一找就是半年。从2008年10月到2009年3月，王丽珍几乎走遍了北京所有的鸟市。最后，还是在已经去了不知道多少次的官园，终于找到了一只受伤后获救的啄木鸟。把啄木鸟带回实验室后，新的问题随之产生。因为不适应新环境，别说实验需要的啄木动作了，小家伙在笼子中甚至都懒得动一下。

实验楼里来了只啄木鸟，楼上楼下的同学都来看新鲜。尽管啄木鸟大名鼎鼎，但是很多同学尤其是生活在大城市里的同学的确是没有亲眼目睹过啄木鸟的风姿。王丽珍却不是看新鲜的，那时，她每天从早到晚守在笼子边，生怕出什么意外。夜里12点离开，早上6点就到，她成了实验楼最晚离开、最早到来的那个人。直到两周后，啄木鸟重新恢复了生机，开始在笼中来回踱步。这终于让王丽珍看到希望了。

啄木鸟啄木慢动作。王丽珍供图

进入实验实际操作阶段，对王丽珍的考验还在继续。两台高速摄像机，从不同角度拍摄啄木鸟啄木的瞬间，一秒钟就要被分解成2000张照片。浙处理起来可是个海量的工作，另外啄木鸟啄木的速度同样奇快无比，王丽珍一不小心，按键的速度稍慢了，她所需要的瞬间图片就稍纵即逝。就这样，近三个月的时间里，王丽珍只得在实验室不断重复着按键、拍摄、再按键、再拍摄的这个过程。直到获得满意的图像为止。

头部特殊结构和材质缓解冲击

接下来的工作就是进入深入研究和分析了。在研究中，王丽珍利用运动生物力学观测、解剖形态学等方法全面分析了啄木鸟撞击树干的过程后发现，啄木鸟头部特殊的结构和材质有效地帮助它缓解了啄木给头部带来的冲击力。她和同事们比较了啄木鸟及具有类似啄食特点的其他鸟在啄物过程中头部运动方式的差异，发现啄木鸟头部不仅具有线性加速度，还伴有旋转加速度；通过形态学观测手段，发现啄木鸟的上下喙部结构具有不等长的特点，其下喙更加坚硬，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减缓颈椎受伤的风险，啄木鸟舌骨自鸟喙下侧开始，左右分叉绕到颅骨后侧，而后延伸到上方，并在前额前方再度交会。啄木鸟啄树干的过程中，不仅需要用力向前撞击，头部向后摆动时的速度、加速度也非常大，而它特殊的舌骨此时就好像是“安全带”一样，有效地避免了颈椎向后折断。虽然人类也有舌骨，但是人类解剖学表明，人类只有喉结上方存在这种骨骼。此外， 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。

哺乳动物和鸟类的大脑表面有一层共有的膜叫软脑膜，外面还有一层膜叫蛛网膜，两层膜之间有一个腔隙叫蛛网膜下腔，在最近的针对啄木鸟解剖材料的研究中，王丽珍发现，啄木鸟的蛛网膜下腔很窄小，脑脊液特别少，这样就减弱了震波的液体传动，从而缓解对脑部的冲击。而在人脑中，脑脊液从脑室脉络丛中产生，流遍整个中枢神经系统，犹如脑中永不停息的河流。研究发现我们的脑室脉络丛每天大约会产生500毫升脑脊液，尽管脑脊液会不断被吸收，但正常人脑中依旧保持着100~160毫升的脑脊液。尽管脑脊液对人脑至关重要，但是当运动过载、或者有外力反复猛推大脑时也容易因脑脊液震波的液体传动造成脑部损伤，这个已经为国内外科学家所研究证明。

尽管人类大脑比啄木鸟的要智慧得多，但我们不得不服的事实是，它们的脑部结构的确比人类强悍太多了。因此，尽管啄木鸟鸟嘴敲击树木时受到的峰值为1200g∼1500g的冲击脉冲，但真正传递到啄木鸟脑部的应力脉冲的强度要低得多，是不会对啄木鸟脑组织造成伤害的。

这里面的有些特征是不是啄木鸟所独有的呢？而后王丽珍研究团队将大斑啄木鸟与大小相似的蒙古百灵鸟、戴胜鸟等作比较。他们发现，啄木鸟的颅骨更加强硬，其大脑也更为紧凑，并且啄木鸟的喙更富弹性。

王丽珍发现，美国洛杉矶加州大学精神病学家菲利普•梅在上世纪70年代关于啄木鸟的猜想并非完全正确。例如，基于菲利普•梅拍摄的高速影片，他认为啄木鸟要保持喙垂直于树干表面，即啄木鸟的头啄木时是直线运动，以避免产生扭转力等相关作用力造成脑损伤。上个世纪40年代《柳叶刀》发表的国外脑科学家的一项研究认为，直线加速度不太容易引起脑损伤，而脑部旋转运动形成的剪切力（指血液流动时与血管壁内膜面的摩擦力，血流作用于血管壁单位面积的力等）会造成脑部损伤一致。因此，菲利普•梅也就更加相信啄木鸟啄木时做的是直线加速运动，其没有旋转，因此也就避免了脑震荡。但是，王丽珍后来的研究发现啄木鸟喙的运动轨迹实际上有一定的旋转。

菲利普•梅在啄木鸟为何不得脑震荡这个问题上曾经进行了开创性的研究，在1976年的一天，菲利普•梅问了他同事一个很奇怪的问题：“为什么啄木鸟不会脑部受损呢？”菲利普•梅原本的专业是治疗精神分裂症，然而他想要弄明白：啄木鸟是如何做到用头部以每小时16英里的速度不停撞击树干，而脑部却不会受损伤呢？

带着这个疑问，菲利普•梅开始了他的研究，他从一位动物学家手中借来了一对啄木鸟标本。对啄木鸟头颅解剖的研究中，他和他的同事们发现在其颅骨前有一块松质骨，或许是当作一种缓冲装置。其次啄木鸟还有一块骨头叫做舌骨，用以支撑舌头，并且链接整个头部。一位研究人员认为舌骨也是一种大脑的安全装置。但是他们得出的啄木鸟啄木时头部是直线加速运动的结论却错了。

“当时他们的研究只是在二维平面上研究啄木鸟头部的运动轨迹，对啄木鸟的脑部的特殊组织和结构也没有定量化的研究，其得出的结论更多的是基于猜测。”王丽珍说。故研究结论出现一些错误并不奇怪。

此外，加州大学洛杉矶分校的研究小组发现，啄木鸟的大脑被紧紧地包裹在颅骨之中，几乎没有给脑脊液留下晃动的空间。但是，他们的研究并没有清楚的说明此特征是啄木鸟所特有的，或者为许多鸟类所共有。

因此，啄木鸟头部的世界对很对科学家而言依旧是个令人好奇而陌生的领域。

王丽珍的贡献是，建立了啄木鸟头部的三维模型，对啄木鸟啄木过程进行了数值仿真。以前一些研究认为啄木鸟富含具有缓冲功能的松质骨，王丽珍发现事实并非如此。她也发现了啄木鸟啄木并不是直线运动，而是有旋转的，这在理论上也挑战了一些权威。

2011年10月26日，王丽珍关于啄木鸟的研究论文发表在知名学术期刊《Plos one》（美国国家公共图书馆综合版）上，论文发表后，在学术界引起了很大的反响，王丽珍和她的啄木鸟研究也走上了世界各大媒体的版面。

脑损伤临界值约比人脑高300倍

近些年来，国内外有很多研究人员都在深入研究啄木鸟为何不得脑震荡这个问题，国内外的一些啄木鸟研究团队相互之间时不时会有一些交流和沟通，虽然大家都是在针对啄木鸟为何不得脑震荡这个问题进行研究，但是侧重点会各有不同，有的侧重于仿生、有的侧重于力学性能及材料，有的侧重于工程减震，还有的则侧重于头部防护。他们站在前人的基础之上，则将“啄木鸟不得脑震荡”这个问题的研究进入到了更深、更广泛的领域。

就王丽珍自己而言，她和她的研究团队更多的是关注人的损伤问题，尤其是飞行员、航天员的头部防护问题。

香港科技大学余同希教授长期从事冲击动力学、结构与材料的能量吸收等领域的研究，对啄木鸟为何不得脑震荡这个问题也进行过深入的研究。余同希认为，啄木鸟的脑部对冲击的承受能力比人强很多。同样当脑组织发生破坏的时候，啄木鸟受到的减速度（即负的加速度）约为人的10倍，也就是说，由于啄木鸟脑部又轻又小，它对甚高的减速度的承受性比人强10倍。而啄木鸟脑损伤的临界值比人脑大约高300倍。

另外，由于啄木鸟啄木是一种高频的敲击，每一次冲击的脉冲时程十分短促，大约不到0.5毫秒，其结果每次冲击给脑组织带来的冲量都不大，使之保持在产生损伤的临界值之下。事实上，在人们研究汽车碰撞对人的头脑的伤害时很早就发现，脑部的损伤程度不仅与减速度脉冲的强度有关，也与它的时程长短有关。

国外的一些科学家在啄木鸟的研究方面也取得了很大突破。美国加州大学戴维斯分校的斯瓦伯发现，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”。“搞笑诺贝尔奖”获奖的都是 “乍看之下令人发笑，之后发人深省”的研究。因此，可不要小瞧了斯瓦伯的研究。

为何要研究啄木鸟？

北京航空航天大学生物与医学工程学院刘文勇博士表示，对于啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制的深入研究具有重要的科学价值，将有助于交通事故、航空航天救生等领域对人体头部冲击性损伤机制的认识，并有助于对防护措施、设备的改进。

比如根据啄木鸟舌骨构造设计的汽车座椅，通过改变发生碰撞时交通设施的受力点，避免冲击力被传导到驾驶室等人员所在的位置；以此设计交通设施的座椅，可以达到保护乘客颈部和头部的作用，避免在发生碰撞时颈椎受伤；啄木鸟颅骨特殊的密度结构，可应用于材料的设计制作上，使交通设施的材质更便于吸收冲击力。

余同希另外举例说，用于汽车、航空、航天和军事用途的微电子器件(如启动安全气囊的传感器、电子陀螺和导弹的引信)需要在高g冲击的环境下可靠地工作。我们从啄木鸟得到启发，首先知道这些微电子器件应该尽可能设计得小而轻，以提高它的抗冲击性能，同时，可以参照啄木鸟的头部结构设计功能类似于海绵状软骨的多孔材料层，用以衰减应力波和耗散冲击能量，还可以采用类似于舌骨的黏弹性缓冲器，对关键的微电子器件进行多重保护。

基于对啄木鸟的研究，加州大学伯克利分校的尹相熙于是灵机一动，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。

最近几年，王丽珍依旧在继续进行该领域的研究，她的最终的目标是研究针对冲撞、高速运动的人体医学防护，为飞行员、航天员等提供更好的保护，并将研究成果形成具体的防护产品设计方案，比如头盔等防冲击装备的设计、防护材料研发等，而后与企业合作，投入到实际生产中。并且她关于啄木鸟上下颌不等长的防震研究还能被应用到鞋子的设计中去，目前国内一知名运动品牌厂家正在据此进行一些运动鞋的设计。

（本文由北京科技报《科技生活》周刊采编制作，新媒体编辑/房永珍。版权所有，转载需授权。合作联系微信：科通社)