A mechanical analysis of woodpecker drumming and its application to shock-absorbing systems

啄木鸟 材料科学 结构工程 主管(地质) 冲击波 振动 休克(循环) 机械工程 声学 机械 工程类 地质学 物理 地貌学 栖息地 内科学 生物 医学 生态学
作者
Sang‐Hee Yoon,Sungmin Park
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:6 (1): 016003-016003 被引量:120
标识
DOI:10.1088/1748-3182/6/1/016003
摘要

A woodpecker is known to drum the hard woody surface of a tree at a rate of 18 to 22 times per second with a deceleration of 1200 g, yet with no sign of blackout or brain damage. As a model in nature, a woodpecker is studied to find clues to develop a shock-absorbing system for micromachined devices. Its advanced shock-absorbing mechanism, which cannot be explained merely by allometric scaling, is analyzed in terms of endoskeletal structures. In this analysis, the head structures (beak, hyoid, spongy bone, and skull bone with cerebrospinal fluid) of the golden-fronted woodpecker, Melanerpes aurifrons, are explored with x-ray computed tomography images, and their shock-absorbing mechanism is analyzed with a mechanical vibration model and an empirical method. Based on these analyses, a new shock-absorbing system is designed to protect commercial micromachined devices from unwanted high-g and high-frequency mechanical excitations. The new shock-absorbing system consists of close-packed microglasses within two metal enclosures and a viscoelastic layer fastened by steel bolts, which are biologically inspired from a spongy bone contained within a skull bone encompassed with the hyoid of a woodpecker. In the experimental characterizations using a 60 mm smoothbore air-gun, this bio-inspired shock-absorbing system shows a failure rate of 0.7% for the commercial micromachined devices at 60 000 g, whereas a conventional hard-resin method yields a failure rate of 26.4%, thus verifying remarkable improvement in the g-force tolerance of the commercial micromachined devices.
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