為何鳥類高速扎入水中卻安然無恙？ | PNAS 論文推薦

　　科研圈2016-10-27 18:50:26

　　某些海鳥能以超高速扎入水中，且脖頸不受到傷害。該現象引起了科學家極大的興趣。於是，他們利用 3D 列印的「塘鵝頭骨」和一段橡皮管建立了一個簡化模型，用來探究鳥類高速入水卻安然無恙的秘密。

　　來源 phys.org

　　翻譯 韓宇

　　審校 卓思琪 紫蘇

　　

　　研究者模擬塘鵝沖入水中的情形，高速攝影機捕捉到了這一過程。

　　圖片來源：Sunny Jung/Virginia Tech

　　為突襲獵物，某些海鳥能以高達50英里/時（約80公里/時）的速度扎入水中。若是人類以如此高的速度入水，那麼很有可能遭受嚴重的創傷，但是像塘鵝和鰹鳥這樣頸部很細的鳥類，卻可以安全地完成這一過程。

　　來自弗吉尼亞理工學院的最新研究解釋了鳥類是如何完成高速入水這一系列動作的。

　　工程學院生物醫學工程與力學系副教授、生物流體力學專家 SunnyJung 說：「塘鵝的動作簡直難以置信！我們對像塘鵝這樣猛衝入水的例子很感興趣。」

　　Jung 及其合作者研究了塘鵝入水時的生物力學，這一新成果發表在 PNAS 上（論文信息見文末）。他們發現，這種鳥類在頭部形狀、頸部長度和肌肉群以及入水速度等因素的共同作用下，水施加的力才不會使它們纖細的脖頸彎曲。

　　先前對潛水鳥（泛指那些扎入水中捕食的鳥類）的研究常常從生態學的角度入手，關注的是一種稱之為「俯衝潛水」的捕獵行為。Jung 的文章是第一篇從物理學和生物工程力學的角度來探索鳥類「高速入水不受傷」這一現象的論文。

　　為了研究這類鳥的身體形態和頸部肌肉，研究團隊利用一隻經搶救存活的塘鵝作為研究對象，同時，使用 3D 列印複製了史密森尼學會收藏的塘鵝頭骨，用來幫助他們測量塘鵝入水時頭骨受到的力。

　　塘鵝沖入水下時頭部主要受到的是阻力，且入水速度越快，受到阻力越大。為了分析其他影響鳥受力的因素，研究者用可伸縮橡皮管代替塘鵝的「脖子」，將 3D 列印的圓錐套在橡皮管上，作為簡化模型。並將該模型投入水池，在試驗中改變圓錐角度、頸部長度和撞擊速度。通過高速攝像機觀察頸部是否彎曲。

　　

　　塘鵝的頭骨複製品允許研究者測量這種鳥有技巧地入水時頭部受到的力。

　　圖片來源：Sunny Jung/Virginia Tech

　　利用這一簡化模型，研究者的分析結果顯示：頸部由筆直向彎曲的轉變取決於頭部幾何形狀、頸部材料的特性和撞擊速度。在標準撞擊速度下，狹窄的身體、銳利的喙和適當長度的頸部讓阻力維持在安全範圍內。

　　Jung 解釋道：「塘鵝的頭部形狀特殊，這使它比同科其他鳥類受到的入水阻力更小。」

　　此外，塘鵝入水前還通過頸部肌肉的收縮伸直 S 型頸部，進一步降低了頸部彎曲帶來的風險。

　　目前，研究團隊已經把這項工作推廣到其他物種上。

　　Jung 表示，這一研究對人類跳水選手的安全規範具有一定的啟示。

　　人類沒有塘鵝所擁有的優勢。和鳥類尖銳的喙和纖細的頸部相比，人類腳掌形成的平面增大了與水面接觸時的撞擊力度。這種強度的力量足以造成骨折及組織器官的損傷。

　　當下，懸崖跳水和高橋跳水這類運動越來越受歡迎，生物流體力學可幫助跳水選手確定最大安全高度，儘可能將受傷風險降到最低。

　　Jung 和 Chang 同樣將他們對潛水鳥的研究應用在與弗吉尼亞理工學院高級設計團隊共同開發的基於塘鵝的水下推進自動感測器上。