無意間刷到啄木鳥的這張經典照片，這個古老的問題浮上我的心頭。
為啥啄木鳥不會腦震蕩呢？
先來直觀感受下啄木鳥的戰鬥力：
啄出殘影來有木有 | 圖自[14]
有的同學可能要說了，樹木畢竟是硬度不高，沒那麽嚴重吧， 你啄個石頭試試 ！哎，還別說，真有啄墻的：
鳥型震樓器 | 圖自網絡
甚至曾經發生過住戶聽見持續不斷的敲擊聲，誤以為是鄰居在制造噪音，就吵起來了。 結果發現是啄木鳥幹的好事 。
當啄木鳥頭鐵起來：
頭鐵的啄木鳥 | 圖自網絡
看了啄木鳥這般表現，任誰都可能要為啄木鳥的腦袋擔心一番。 這個頻率和力道，可不得把腦子搖勻了 ？
圖片的展示能力有限，早在1979年，就有學者對啄木鳥啄樹的速度做了定量觀測，發現啄擊的最高速度可達 6-7m/s ，喙撞擊在樹上的那刻要承受 1000g（g為重力加速度，約為9.8m/s²） 的加速度[1]。
更恐怖的是，啄木鳥可以以 一秒20次 的頻率完成這樣的啄擊，平均每天大概要啄 12000次 [2]。 這種高強度的反復撞擊，可能將給眼球，視網膜，大腦神經、血管等等地方帶來極大的壓力 。
大家可能一時對這個6-7m/s速度沒有什麽概念，舉一些不太嚴謹的例子，就好比我們以 2min30s的配速跑1km體測時，突然撞到了一棵樹上 ；或者是根據，相當於 從1.8m的床上掉了下去 （高中大學宿舍雙層床的高度正好就是如此）
肉眼可見的疼 | 圖自[15]
撞多了的狗子直接不敢出門 | 圖源網絡
一個字：疼！恐怖的是，啄木鳥每天還要這樣撞12000次，這就讓人非常好奇了！ 人們也期待對啄木鳥的研究可以幫助制造更好的頭盔、更好的抗震動器件 ；此外，對這個問題的研究對於人類腦震蕩的醫療也可能有幫助。很多運動如 足球、橄欖球、拳擊 也可能存在嚴重的頭部傷害。
針對這個問題的科學研究還真不少，涉及力學、生物學、醫學等多個領域，相關工作還獲得了2006年的搞笑諾貝爾獎（IgNobel Prizes）[4][5]。 人們對這個問題的認識也經歷了有趣的轉變化。但是，至今也不能完整回答這個問題[3]！
如果最簡單地想，問題的重點大概在啄木鳥的頭部構造、啄擊技術上，當然，還有鳥類相比人類可能的小尺寸效應上。
奇特的頭部構造
當人們去仔細研究啄木鳥頭部的肌肉骨骼構造後，很快發現了好幾個可能有利於抵抗撞擊的特質。其中最受人們關註的是喙和頭骨之間的 海綿狀骨骼 ：
啄木鳥骨骼示意圖，綠色部份為海綿狀骨骼 | 圖自[3]
該骨骼具有多孔結構， 很有可能在啄擊的過程中，充當了海綿的作用，很大程度上吸收了沖擊 ！大家為這個發現感到非常高興，甚至材料學領域也開始支持這一觀點並開始評估這種結構在減震復合材料制造中的作用[6].
緩沖減震的觀點是如此自然，以至於很長一段時間內都沒有人懷疑這一點 ；在早些年鋪天蓋地的科普中，也到處都是這樣的觀點[7][8]，在網上隨手一查即可查到很多。
但是仔細想想，可能就會發現問題：沒錯，緩沖措施是能夠有效減少大腦的損傷，但 是如果這裏海綿狀骨骼真的吸收了部份「沖擊」，透過喙傳導到樹上的沖擊不也就變少了嘛 ！就好像錘子被分成兩半，中間用彈簧連起來，那麽遠離錘擊點的那部份鐵塊的能量就不能很快傳導到錘擊點，這樣將很大程度上減少錘子打出的力量。
終於到2022年，有工作[3]仔細地研究了啄木鳥啄擊的過程中到底是否有減震措施的存在。
利用高速攝影機追蹤喙和頭部不同點的位置和速度 | 圖自[3]
研究用高速攝影機拍攝不同品種啄木鳥的100多段啄擊影片進行分析，並對特定點位進行追蹤，結果令人驚訝： 這些點位的加速與減速完全是同步的 ！也就是說，中間並不存在一個緩沖區， 整個頭部構成了一個堅實的整體 ！
該團隊還仔細地研究了存在緩沖機制對啄擊效率的影響：
固定頭部動量時，彈簧的勁度系數與木頭穿透深度和吸收沖擊效率之間的關系 | 圖自[3]
計算表明， 緩沖本身將會降低啄擊效率！ 這個事實是這樣地出乎意料之外，又在情理之中。 啄木鳥為了更好的啄擊效能，選擇將頭部打造成更緊湊的「剛體」 ，去掉緩沖部份。而「緩沖」觀點因為種種原因廣泛傳播，過了這麽久才被質疑，也是科學發展和傳播中非常有趣的現象。
那啄木鳥就沒有其他減少大腦所受沖擊的結構了嗎？當然還是有不少觀點說有的，比如被廣泛承認的：
大腦顱骨緊密說
啄木鳥的大腦和顱骨的結合更加緊密，有更少的腦脊液，使得大腦更不容易與顱骨發生相對運動從而減小傷害[12]。
還有很多其他的觀點。但是經過以上的教訓可以看到， 有些觀點乍看似合理，但是還是要經過定量的分析和精密的觀測來支撐 。比如網上很容易找到很多以下觀點：
肌肉傳遞說
在喙撞擊樹木的瞬間會收縮，將產生的沖擊傳導到頭骨的下部和後方跳過大腦 。這個說法過於定性，也有觀點持相反意見，認為啄木鳥並沒有非常發達的頭部和頸部肌肉。
舌骨纏繞說
有觀點認為舌頭緊密的纏繞後可以充當「安全帶的作用」[12] 。
啄木鳥的舌頭極其有特點[10][11]！路徑方面，和一般生物的直接從嘴裏伸出不同，啄木鳥的舌頭從上頜骨出發，然後從右鼻孔穿出，分叉從顱骨後面繞過後，再從脖子兩側回來合二為一後從嘴裏伸出去！（小編第一次知道的時候大為震撼）就是這樣子的：
啄木鳥舌頭結構示意圖 | 圖源[11]
垂直撞擊說
啄木鳥每次啄擊時，喙與表面幾乎完美垂直，保證了大腦不受到切向力 。這個觀點受到一定挑戰，有人經過三維分析發現，實際上有一定的旋轉[12]。
這三條聽起來都挺符合直覺的，但是是否成立、或者該因素占多大比重，還是要經過嚴謹的定量分析呀！查了好久的資料總是感覺這幾條差點意思，並未找到嚴格計算或實驗支撐。下次大家再見到這些觀點，記得問一句，你的參考文獻在哪裏呢？
尺寸效應
從結構那裏看起來我們並沒有獲得一個簡潔的答案，是不是有同學迫不及待地想要仔細分析下另一個很容易想起來的因素了：那就是尺寸效應！
日常生活中我們也有這樣的經驗， 小的東西，它往往更結實嘛！手機摔一下和電腦摔一下，肯定不是一個性質 。生物界也是如此，人摔一下大概率沒啥事兒，大象摔一下則有骨折的風險。
同樣，很容易想到，啄木鳥的腦子比人小那麽多的嘛畢竟！小了之後，就可以擁有更大的比表面積來分擔壓力。跟隨文獻[13]的推導，我可以做一點簡單的計算。
將大腦近似看作球形，假設承受撞擊時，承受壓力的主要面積（為冠狀）所占總表面積的比例是相同的，假設為，並 假設大腦受損傷的上臨界壓強對於人和啄木鳥是相同的，同為， 分別用和來作為下標來標記人和啄木鳥，則
中等體型的啄木鳥的大腦質素和半徑分別為，人腦的質素和半徑分別為，可以得到。也就是說， 啄木鳥可以承受的加速度臨界值為人類的10倍 ！當然了，只談加速度不談時間是無法估計損傷的。 人們在汽車碰撞試驗中得到如下經驗公式（Gadd Severity Index）來估計損傷的程度 ：
則可以得到啄木鳥的腦損傷 容限是人腦的倍！ 實際上不止如此，啄木鳥大腦的形狀區別和人類有較大差別，有更大比例的表面積可以承受沖擊。
人腦和鳥類承受加速度時壓力分布示意圖 | 圖自[3]
當然啦，以上推導比較粗略，如今有限元分析法等精準的建模手段可以分析力學過程中的受力分布，有不少工作給出了在某些角度給出了分析[12][13]。
撞擊後喙和顱骨感受到的應力變化 | 圖自[12]
總而言之，因為啄木鳥極高的腦損傷容限，平時的啄擊根本達不到這個閾值！尺寸效應給啄木鳥頭部超強的抗沖擊能力提供了堅實基礎。 也期待相關的力學計算可以分析頭部結構的影響，給這個問題一個更完整的答案！
啄木鳥的億點點小細節
除了抗震的大腦外，啄木鳥還有哪些神奇能力呢？
1
啄木鳥的舌頭可以伸出超過喙長 三倍 的距離，舌頭前端有倒刺，可以高效吃到洞裏的蟲子。
有一點點嚇人 | 圖自[11]
高效吃蟲 | 圖自網絡
2
喜歡在樹上邊打洞儲存橡果的是 橡樹啄木鳥 。
橡樹啄木鳥在存橡果 | 圖自網絡
3
啄木鳥在啄擊的瞬間會閉上眼，保護眼睛不受濺射的木刺的傷害。
圖自網絡
4
有沒有想過這個問題，啄木鳥嘴會不會卡樹裏拔不出來哈哈哈！真有研究者仔細觀察過這個事情，發現啄木鳥會將頭輕微旋轉幾度，進一步制造出空隙，來順利抽出鳥喙。
5
啄木鳥也會給健康的樹開個口子，用來吸引蟲子 ；此外，吉拉啄木鳥還會吸食幼鳥腦髓（之前就想過這麽強有力的喙用來攻擊會咋樣，沒想到還是被震驚到了），比較驚悚，就不放圖了。
是不是感覺森林醫生鳥設崩塌哈哈哈！當然啦，種類不同習性不同， 不能一概而論，我們也不能站在主觀的視角去評判害鳥益鳥，畢竟大自然是殘酷的~
寫在最後
啄木鳥較小的頭部和大腦尺寸，帶來了遠超過人類的抗沖擊能力 ；加上特殊的頭部構造，進一步協同加強了穩定能力，相應的定量分析蹲一蹲更多的研究；需要註意的是，之前人們預想並廣為流傳的緩沖機制被強有力的證據表明是有問題的，這與啄擊效率是沖突的。
科學的發展是曲折的，那些定性符合直覺的論斷終究要接受定量的檢驗，從而讓我們更靠近真相。
啄木鳥為啥不會得腦震蕩？如此看來，這個問題距離完全弄清楚還遠，說不定哪一天某個因素又被推翻了。當然以上分析只針對單次啄擊，別忘了，啄木鳥可能一天要這樣啄擊12000次，如此龐大的數量肯定會導致微小的損傷。目前的研究也傾向於支持腦損傷並不是完全沒有，而是一定程度存在。 啄木鳥是如何修復大腦相應的微小損傷的呢？又是如何防止喙變形的呢？期待對這些問題的更多研究能為醫學、材料等領域帶來更多啟發~
參考文獻：
[1] May P R A, Fuster J M, Haber J, et al. Woodpecker drilling behavior: an endorsement of the rotational theory of impact brain injury[J]. Archives of Neurology, 1979, 36(6): 370-373.
[2] Gibson L J. Woodpecker pecking: how woodpeckers avoid brain injury[J]. Journal of Zoology, 2006, 270(3): 462-465.
[3] Van Wassenbergh S, Ortlieb E J, Mielke M, et al. Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks[J]. Current Biology, 2022, 32(14): 3189-3194. e4.
[4] May P R A, Newman P, Fuster J M, et al. Woodpeckers and head injury[J]. The Lancet, 1976, 307(7957): 454-455.
[5]搞笑諾貝爾獎2006年獲獎名單（https:// improbable.com/ig/winne rs/#ig2006 ）
[6] Wang L, Niu X, Ni Y, et al. Effect of microstructure of spongy bone in different parts of woodpecker's skull on resistance to impact injury[J]. Journal of Nanomaterials, 2013, 2013: 17-17.
[7] 劉誼人,蔣忠平.啄木鳥為何不會「腦震蕩」[J].建築工人,2011,32(09):50.
[8] 楊華.為什麽啄木鳥不會得腦震蕩[J].科學之友,2006,(05):50.
[9]為什麽啄木鳥不會得腦震蕩？（內含施工動圖）(https://www. guokr.com/article/44930 5/ )
[10] Zhou P, Kong X Q, Wu C W, et al. The novel mechanical property of tongue of a woodpecker[J]. Journal of Bionic Engineering, 2009, 6(3): 214-218.
[11] 啄木鳥的舌頭那麽奇葩，對它來說有什麽好處? - 知乎 (http:// zhihu.com )
[12] Lizhen Wang, et al. Why Do Woodpeckers resist head impact injury: A biomechanical investigation, PLoS ONE 6(10): e26490. doi:10.1371/journal.pone.0026490, 2011
[13] 余同希.啄木鳥為什麽能避免腦損傷?[J].力學與實踐,2012,34(03):86-87.
[14] 噔噔噔，近距離看啄木鳥鑿樹名場面(https://www. bilibili.com/video/BV1Z U4y1f7Pj/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07 )
[15] 狗子撞門(https://www. bilibili.com/video/BV1F s4y1n7TE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07 )
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