2.3 振动缓冲结构
——啄木鸟头骨

啄木鸟以20Hz的频率啄树捕虫，相当于以25km/h的速度撞树，那么问题来了，为什么这么高强度的撞击，头部却不受丝毫损伤呢？学者们通过研究发现，鸟类的骨骼以轻而坚固为最大特征，是因为头骨的结构并非实心结构，而是一层高度愈合的蜂窝状结构。毫无疑问，这是自然选择的结果，这样的结构必然会使鸟类更适应于生存环境与日常生活 ^[4] 。

啄木鸟天生具有高超的减振吸能本领，能够将振动和冲击的影响减弱至最小。大部分啄木鸟属于留鸟，长期生活在树林中，以啄食树皮中的昆虫为生，由于啄木鸟能够消灭大量危害树木生长的昆虫，因而得名“森林医生”。啄木鸟具有强直而坚硬的喙，可以用来凿开树皮，具有锋利的爪子和粗壮坚硬的尾羽，能够在啄木时保持身体的平衡。啄木鸟与其他鸟类在生理结构上最大的区别在于，它有一条三倍于上颌长度的舌骨，这个极长的舌骨在腮下颌肌等肌群的控制下可以自由地伸出和收回，便于啄木鸟在很深的树洞中捕食昆虫。图2-2所示为大斑啄木鸟以及其颅骨、喙骨的微观显微图，当啄木鸟晃动头部反复钻木捕食昆虫时，我们只会看到木头很快出现凹洞，并没有看到啄木鸟的头部出现冲击性损伤，足见啄木鸟头部的抗冲击性非同一般 ^[5] 。这一神奇的现象引起了很多科学家极大的兴趣与关注，他们开始对啄木鸟的头骨结构进行研究，经过研究发现，啄木鸟颅骨内包含许多骨小梁，相对于一般动物的头骨，啄木鸟头骨内的骨小梁具有更大的厚度、更多的数量以及更紧密的间距，这种特殊的结构特点使得啄木鸟在啄木过程中虽然加速度很高，频率很快，但是受到的冲击变形非常小。当然，造成这一原因不仅仅是归功于啄木鸟的头骨，冲击能量总需要通过变形去吸收，既然头骨引起的变形较小，那么一定有变形较大的部分会吸收这部分冲击能量，那就是啄木鸟的喙。特殊的生理结构使啄木鸟适于啄木，而它高超的抗/减振本领则体现在它的啄木过程中，啄木鸟的喙具有较大的棒状结构和更薄的骨小梁，会导致冲击过程中更大的变形，从而将冲击能量在喙处得到大量的吸收和分散，因此传输到大脑的冲击就会降低。

通过对啄木鸟啄木时的能量传递过程进行分析可知，啄木鸟头骨和喙骨独特的微观结构和组成成分造就了啄木鸟对于头部冲击性损伤的良好抵抗性。鸟头和嘴尖的运动轨迹几乎呈一条直线，即啄木鸟在啄击时巧妙地避开了头部旋转，这样在啄击时就不会产生旋转方向的切应力。啄木鸟与树木的碰撞作用时间为0.5~1ms，其间最大的冲击速度为5~7m/s，而最大的减速度则高达（700~1200） g ，这远远超出了人所能承受的最大加速度。同时，还发现啄木鸟在啄树前会像木匠一样地轻敲树干几下，才开始快速地啄击，在嘴尖即将碰到树木之前，啄木鸟会闭上眼睛，并在碰撞结束时睁开，这可能是为了防止啄开的木屑飞入眼中。基于这种结构设计，科学家设计研发了大量的仿生减振系统和设备，图2-3所示为仿啄木鸟头部的减振装置，其中微型电子设备抗振装置是典型代表，位于金属外壳之内的微粒床，通过自身的振荡，控制了不需要的高频机械激发，使不利影响保持在可接受限度之内。