啄木鸟颅骨细观水平的显微结构、成分组成与力学性能研究

Woodpecker has no head impact injury when it drums tree trunk with high frequency and deceleration.It was shown that the unequal beak and special sling-like hyoid bone has a role in impact protection of woodpecker head in our previous study.In addition, the brain of woodpecker was tightly packed by relatively dense cranial bone comprising of cortical and spongy bone with less spongy bone compared to other birds. There is also overwhelming evidence that the mineral mass and micro-structure of bone are susceptible to the stimulation by mechanical loads, ensuring that its mechanical behavior and strength are adapted to environmental changes. However, there have been few systematic analyses of these properties of woodpecker's skull. Based on our previous study, the proposed research project will carry out the following studies:(1)The micro-structure of cranial bone on the different location of skull;(2)The composition of cranial bone on the different location of skull;(3)The nanomeachanical property of cranial bone on the different location of skull;(4)The relationship of micro-structure,composition and meachnical property.The micro-structure,composition and nanomechanial property on the different location of woodpecker's skull would be studied based on the methods of meachanical test,composition analysis and micro finite element analysis.It would inspire us to the design of bionic materials and human device of resisting impact injury.

啄木鸟高频、高加速度啄木却未发生头部冲击伤，其机理的研究在人体冲击伤防护方面具有重要意义。申请人的前期工作已对啄木鸟头部抗冲击性进行了初步研究，结果表明啄木鸟的喙部、舌骨结构对头部起到保护作用，此外还发现啄木鸟颅骨具有较独特的显微结构、组成成分和不同于其他相近鸟类的力学特性。影响骨力学特性的因素可归结为骨显微结构和组成成分两类。迄今还没有系统深入的研究啄木鸟颅骨的显微结构形态特征、成分组成和力学特性及其关系。本项目在前期工作基础上，针对啄木鸟颅骨不同部位的显微结构、成分组成及力学特性进行研究。具体研究内容包括：1)颅骨不同部位的显微结构特征；2）颅骨不同部位的成分组成特征；3）颅骨不同部位的力学特性分布规律；4）颅骨不同部位的显微结构特征、成分组成与力学特性之间的关系及其对啄木鸟头部抗冲击性的影响。本课题不仅具有重要的科学理论意义，同时在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在的实用价值。

啄木鸟高频、高加速度啄木却未发生头部冲击伤，其机理的研究在人体冲击伤防护方面具有重要意义。申请人的前期工作已对啄木鸟头部抗冲击性进行了初步研究，结果表明啄木鸟的喙部、舌骨结构对头部起到保护作用，此外还发现啄木鸟颅骨具有较独特的显微结构、组成成分和不同于其他相近鸟类的力学特性。影响骨力学特性的因素可归结为骨显微结构和组成成分两类。迄今还没有系统深入的研究啄木鸟颅骨的显微结构形态特征、成分组成和力学特性及其关系。本项目在前期工作基础上，针对啄木鸟颅骨不同部位的显微结构、成分组成及力学特性进行研究。具体研究内容包括：1)颅骨不同部位的显微结构特征；2）颅骨不同部位的成分组成特征；3）颅骨不同部位的力学特性分布规律；4）颅骨不同部位的显微结构特征、成分组成与力学特性之间的关系及其对啄木鸟头部抗冲击性的影响。本课题主要结论如下：1）从材料学角度定量化分析了大斑啄木鸟和蒙古百灵鸟的颅骨及颌骨的骨微观结构、成分组成及材料力学特性；2）观察了大斑啄木鸟和蒙古百灵鸟的颅骨及颌骨的骨微观结构，并测定了组成成分；3）研究啄木鸟颅骨颞部、额部和枕部的显微结构参数. 样本经Micro-CT 扫描后, 在断层扫描图像的基础上, 可以得到的显微结构参数包括体积分数、结构模型指数、骨小梁数量、骨小梁厚度、骨小梁分离度和骨质密度. 通过与其他鸟类的对比分析发现, 啄木鸟具有更加独特的颅骨结构, 其骨小梁厚度、体积分数和骨小梁数量显著高于其他鸟类, 结构模型指数小于其他鸟类, 其颅骨所具有的这种特点是啄木鸟长期进化过程中为适应啄木行为所形成的, 也是其抗冲击的重要原因；4）探索了以上结果在仿生材料和防护装备抗冲击性设计中的应用，以及啄木鸟颅骨部位不均匀分布对医疗器械优化设计的启示。本课题不仅具有重要的科学理论意义，同时在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在的实用价值。