Как дятел избегает травм мозга при высокоскоростных ударах благодаря оптимальной антиударной структуре тела

Создание структур и устройств, защищающих тело от удара и вибраций при высокоскоростных столкновениях, — универсальная задача. Изучение уникальной морфологии дятла, чье тело функционирует как превосходная антиударная структура, может помочь в ее решении.

Мозг дятла выдерживает повторяющиеся удары и замедление в 1200 g при быстром долблении. Эта антиударная особенность связана с уникальной морфологией птицы и способностью поглощать энергию удара. Используя компьютерную томографию и построение высокоточных трехмерных моделей дятла, китайские ученые объяснили его антиударную биомеханическую структуру с точки зрения распределения и преобразования энергии.

Их выводы, представленные в новом исследовании «Преобразование энергии у дятла при последовательном долблении и его роль в антиударной защите мозга», опубликованном в пекинском журнале SCIENCE CHINA Technological Sciences, могут помочь в проектировании антиударных устройств и структур для человека.

Для создания сложной 3D-модели дятла ученый У Чэнвэй и его коллеги из Государственной ключевой лаборатории структурного анализа промышленного оборудования при отделении инженерной механики Технологического университета Даляня отсканировали структуру птицы и воспроизвели ее с высокой детализацией.

«На основе технологии КТ-сканирования (КТ-сканер LightSpeed VCT XT, GE, США) были получены детальные изображения внутренней структуры головы, которые затем импортировали в ПО Mimics для формирования модели из разрозненных точек», — сообщают они. Затем с помощью функции граней и модуля перемоделирования Pro/E была создана геометрическая модель головы для аппроксимации поверхности. После геометрических исправлений в ПО Abaqus была построена FE [метод конечных элементов] модель, разбитая на тетраэдрические элементы.

Структура дятла была воссоздана с помощью сложного геометрического моделирования. «Итоговая FE-модель содержит 940 000 мелких элементов с минимальным размером 0.07 мм в голове, 70 000 крупных элементов с максимальным размером 3.5 мм в теле и 20 000 элементов с минимальным размером 0.16 мм в туловище», — указывают исследователи.

Открытия, сделанные в ходе исследования, могут найти применение при проектировании космических аппаратов, автомобилей и носимых защитных средств, объясняет профессор У.

Дятел выделяется в этой области исследований: он может долбить деревья с высокой частотой (до 25 Гц) и на высокой скорости (до 7 м/с и замедлением 1200 g), не получая травм мозга.

У и его коллеги использовали 3D-модели дятла, чтобы проверить, как энергия удара обрабатывается его специально адаптированной структурой.

Результаты показали, что тело не только поддерживает дятла при долблении, но и запасает большую часть энергии удара в форме энергии деформации, значительно уменьшая количество энергии удара, поступающей в мозг.

«Большая часть энергии удара при долблении преобразуется в энергию деформации, запасенную в теле (99.7%), и лишь малая ее часть приходится на голову (0.3%)», — сообщили исследователи.

Структуры головы, включая клюв, череп и подъязычную кость, дополнительно снижают энергию деформации мозга. Небольшая доля энергии удара, попадающая в мозг, в конечном итоге рассеивается в форме тепла, вызывая быстрое повышение температуры в мозге. Как следствие этого, дятел вынужден долбить с перерывами.