为何鸟类高速扎入水中却安然无恙？ | PNAS 论文推荐

某些海鸟能以超高速扎入水中，且脖颈不受到伤害。该现象引起了科学家极大的兴趣。于是，他们利用 3D 打印的“塘鹅头骨”和一段橡皮管建立了一个简化模型，用来探究鸟类高速入水却安然无恙的秘密。

来源 phys.org

翻译 韩宇

审校 卓思琪 紫苏

研究者模拟塘鹅冲入水中的情形，高速摄影机捕捉到了这一过程。

图片来源：Sunny Jung/Virginia Tech

为突袭猎物，某些海鸟能以高达50英里/时（约80公里/时）的速度扎入水中。若是人类以如此高的速度入水，那么很有可能遭受严重的创伤，但是像塘鹅和鲣鸟这样颈部很细的鸟类，却可以安全地完成这一过程。

来自弗吉尼亚理工学院的最新研究解释了鸟类是如何完成高速入水这一系列动作的。

工程学院生物医学工程与力学系副教授、生物流体力学专家 SunnyJung 说：“塘鹅的动作简直难以置信！我们对像塘鹅这样猛冲入水的例子很感兴趣。”

Jung 及其合作者研究了塘鹅入水时的生物力学，这一新成果发表在 PNAS 上（论文信息见文末）。他们发现，这种鸟类在头部形状、颈部长度和肌肉群以及入水速度等因素的共同作用下，水施加的力才不会使它们纤细的脖颈弯曲。

先前对潜水鸟（泛指那些扎入水中捕食的鸟类）的研究常常从生态学的角度入手，关注的是一种称之为“俯冲潜水”的捕猎行为。Jung 的文章是第一篇从物理学和生物工程力学的角度来探索鸟类“高速入水不受伤”这一现象的论文。

为了研究这类鸟的身体形态和颈部肌肉，研究团队利用一只经抢救存活的塘鹅作为研究对象，同时，使用 3D 打印复制了史密森尼学会收藏的塘鹅头骨，用来帮助他们测量塘鹅入水时头骨受到的力。

塘鹅冲入水下时头部主要受到的是阻力，且入水速度越快，受到阻力越大。为了分析其他影响鸟受力的因素，研究者用可伸缩橡皮管代替塘鹅的“脖子”，将 3D 打印的圆锥套在橡皮管上，作为简化模型。并将该模型投入水池，在试验中改变圆锥角度、颈部长度和撞击速度。通过高速摄像机观察颈部是否弯曲。

塘鹅的头骨复制品允许研究者测量这种鸟有技巧地入水时头部受到的力。

图片来源：Sunny Jung/Virginia Tech

利用这一简化模型，研究者的分析结果显示：颈部由笔直向弯曲的转变取决于头部几何形状、颈部材料的特性和撞击速度。在标准撞击速度下，狭窄的身体、锐利的喙和适当长度的颈部让阻力维持在安全范围内。

Jung 解释道：“塘鹅的头部形状特殊，这使它比同科其他鸟类受到的入水阻力更小。”

此外，塘鹅入水前还通过颈部肌肉的收缩伸直 S 型颈部，进一步降低了颈部弯曲带来的风险。

目前，研究团队已经把这项工作推广到其他物种上。

Jung 表示，这一研究对人类跳水选手的安全规范具有一定的启示。

人类没有塘鹅所拥有的优势。和鸟类尖锐的喙和纤细的颈部相比，人类脚掌形成的平面增大了与水面接触时的撞击力度。这种强度的力量足以造成骨折及组织器官的损伤。

当下，悬崖跳水和高桥跳水这类运动越来越受欢迎，生物流体力学可帮助跳水选手确定最大安全高度，尽可能将受伤风险降到最低。

Jung 和 Chang 同样将他们对潜水鸟的研究应用在与弗吉尼亚理工学院高级设计团队共同开发的基于塘鹅的水下推进自动传感器上。

文章来源：http://phys.org/news/2016-10-birds-safely-high.html

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 论文基本信息

【题目】How seabirds plunge-dive without injuries

【作者】Chang,et al.

【刊期】PNAS

【日期】October4, 2016

【DOI】10.1073/pnas.1608628113

【摘要】Innature, several seabirds (e.g., gannets and boobies) dive into water at up to24 m/s as a hunting mechanism; furthermore, gannets and boobies have a slenderneck, which is potentially the weakest part of the body under compressionduring high-speed impact. In this work, we investigate the stability of thebird’s neck during plunge-diving by understanding the interaction between thefluid forces acting on the head and the flexibility of the neck. First, we usea salvaged bird to identify plunge-diving phases. Anatomical features of theskull and neck were acquired to quantify the effect of beak geometry and neckmusculature on the stability during a plunge-dive. Second, physical experimentsusing an elastic beam as a model for the neck attached to a skull-like conerevealed the limits for the stability of the neck during the bird’s dive as a functionof impact velocity and geometric factors. We find that the neck length, neckmuscles, and diving speed of the bird predominantly reduce the likelihood ofinjury during the plunge-dive. Finally, we use our results to discuss maximumdiving speeds for humans to avoid injury.

【原文链接】http://www.pnas.org/content/early/2016/10/03/1608628113

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