啄木鸟，微电子设备与锤子

尼安·奶爸

啄木鸟，微电子设备与锤子
Fujia
发表于 2009-06-15 11:15

                               
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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).

玉鼠临风

这么牛？？！！我是学微电子的，呵呵

苏源

近机械专业表示仰慕

狐狸

向仿生学致敬！