论文摘要：啄木鸟头部抗冲击性生物力学研究

头部冲击性损伤主要是由于突然性的线性或旋转加速度造成的，多发于汽车碰撞、航空救生及体育运动中，其危害性大，死亡率高，且近年来年轻人头部冲击性损伤发生率日渐增长。然而，自然界中的“森林医生”啄木鸟，每天啄木次数高达1,2000 次，啄木最大速度达到623~749cm/s，最大加速度达634~2170g，如此高频、高加速度的冲击行为却没有导致冲击性脑损伤。啄木鸟令人惊叹的行为特征不仅引起了鸟类学家和进化生物学家们的注意，也越来越多地受到了电子工程、机械工程、材料工程方面的研究者们关注。然而，到目前为止，关于啄木鸟头部的抗冲击性生物力学机制尚未明确。基于上述现象，本论文初步探索了啄木鸟头部抗冲击性损伤的生物力学机制，并基于其原理提出体育运动中抗冲击性的运动产品设计的新概念。本文主要做了以下五个方面的工作：1、啄木鸟头部解剖学结构观察本研究观察了华北地区常见的大斑啄木鸟的头部解剖结构，并选取了戴胜和百灵与大斑啄木鸟进行了对比观察。它们与大斑啄木鸟体型相近，分别属于不同种属。通过解剖学结构观察发现，与其他鸟相比，大斑啄木鸟的颅骨外形更接近于规则形椭球状；啄木鸟的脑组织相对较大且被紧密包裹于颅骨内部；大斑啄木鸟舌骨构造奇特，从下颌向后延伸并分为两条，分别从颈部两侧向上延伸至枕骨后侧，最后在颅顶部位合并到一起；此外，大斑啄木鸟喙部曲率明显小于其他鸟，上下颌骨及外层覆盖的硬角质鞘部分长度不等，上颌长度小于下颌长度，外层硬角质鞘却是上喙长于下喙。2、啄木鸟头部运动学和动力学分析以往的研究认为啄木鸟在啄木过程中头部保持完美的直线运动，这种运动方式使其避免了旋转加速度产生的剪切力所引起的脑损伤。本研究利用两台同步的高速摄像机采集了大斑啄木鸟啄木过程中头部的三维运动学数据，同时利用力-扭矩传感器记录了啄力。此外，采用动态应变仪测试了冲击载荷下颅部和喙部区域的动态应变随时间的变化情况。运动学数据分析结果表明大斑啄木鸟啄木过程中头部不仅有直线运动，同时还伴随有旋转运动；啄力采集结果表明冲击过程除了啄力还存在扭矩。3、颅部及喙部结构的材料学特征分析II骨力学相关研究表明松质骨的微观结构参数与其力学性能具有强相关性。以往的研究认为啄木鸟头部富含海绵状的松质骨，这样的材料结构特征对脑损伤具有防护作用。本研究从材料学角度分析了大斑啄木鸟颅骨及喙部的骨微观结构、成分组成及材料力学特性。微观结构观察表明，与另外两种鸟相比，大斑啄木鸟的颅骨部位的松质骨分布更少且不均匀，并且骨小梁结构更趋近于板状，而其它鸟颅骨部位骨小梁结构更趋近于杆状；成分组成分析和材料力学测试结果表明，大斑啄木鸟颅骨部位较其他鸟来说，无机质含量更高，导致其颅骨材料力学强度更大；而大斑啄木鸟的喙部结构中无机质含量稍低于其他鸟，导致其材料力学强度稍低，从而在载荷作用下形变量更大且具有更好的柔韧性好。综上所述，啄木鸟颅骨及喙部的骨微观结构、成分组成及力学特性在长期的啄木行为下，逐步进化达到最优化设计，使其有效的保护脑组织免受损伤。4、啄木鸟头部有限元分析数值模拟作为生物力学研究中的重要研究手段之一，可以测量实验研究中难以测定的参数，与实验研究具有互补作用。本研究基于Micro-CT 断层扫描图片建立了啄木鸟头部三维有限元模型，并与实验数据进行对照，验证了模型的可靠性。利用该模型进行动态数值分析，定量化研究了啄木过程中大斑啄木鸟特殊的头部解剖学特征对脑组织的防护作用。研究结果表明，大斑啄木鸟上下颌不等长的结构有效降低了喙部传递到脑组织的冲击力；此外，大斑啄木鸟细长的舌骨起到了“安全带”和动力吸振器的作用。5、啄木鸟头部抗冲击原理的应用以上的研究得出了啄木鸟头部抗冲击性损伤生物力学机制的初步结论，启发我们进一步深入探索并考虑其应用前景。其中，上下喙不等长结构对脑组织的防护原理，启发我们提出了跑钉鞋鞋钉钉体结构分叉式设计新概念，并且利用有限元进行了简要的模拟计算。结果表明，此结构对缓冲性有所改善。综上所述，本文的主要贡献可以归纳为两个方面：1）利用解剖学结构观察、头部三维运动学分析、啄力测试、材料学观察及材料力学测试与数值模拟相结合及验证的方法，初步探索了啄木鸟头部抗冲击性的生物力学机制。2）本研究基于所得出的啄木鸟头部抗冲击性机理的部分结论，提出了体育运动中跑钉鞋鞋钉钉体结构设计新概念。

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