啄木鸟头部抗冲击性损伤的生物力学研究

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,其死亡率高、危害性大,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。

本实验室对啄木鸟头部抗冲击性损伤的生物力学机制进行了初步性探索,综合运用运动学、解剖学、材料学及力学分析的方法和手段，捕获了啄木鸟啄木过程头部三维运动学参数信息、分析其运动学特征，解剖其头部结构进行组织学观测，对其头颅和喙部组织材料进行形态、结构和力学特性测试及分析，并基于Micro-CT断层扫描数据建立了与真实解剖学结构相似程度较高的啄木鸟头部三维有限元模型，模型共由五个部分组成,包括 上喙、下喙、舌骨、颅骨和脑组织。利用实验采集的啄木鸟头部三维运动学数据对该模型进行详细的验证，并利用验证后的模型动态模拟了整个啄木过程，定量化分析了啄木鸟头部解剖结构及材料特性在抵抗冲击过程中对脑组织的保护作用。数值模拟的研究结果表明,啄木鸟不等长的上下喙结构起到有效的缓冲作用;特殊的舌骨结构在啄木完成后回弹过程起到了“安全带”的作用和动力吸振器的作用,对头颈部损伤起到了防护作用。上述发现对于体育运动、交通、航空救生领域人体冲击性损伤机理及其防护方法具有指导意义。

图: 啄木鸟抗冲击性损伤的数值模拟