本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
现在是橄榄球赛季，这意味着军乐队、啦啦队、人浪，以及当他们支持的球队得分时人群的疯狂欢呼——还有球员之间不少于几次的骨骼碎裂般的碰撞，其中很大一部分会导致受伤。最常见的与橄榄球相关的伤害之一是什么？脑震荡。而这反过来又可能导致更长期的脑损伤。（《纽约时报》已经刊登了几篇关于这个主题的优秀文章。）
脑震荡与脑部瘀伤不同。通常没有肿胀或出血。当头部加速过快，和/或减速过猛，或者以某种方式扭曲或旋转时，就会发生脑震荡。症状包括意识模糊、视力模糊、记忆力丧失和恶心——有时会失去知觉，但并非总是如此。
当然，职业球员被要求佩戴安全装备，包括防护头盔，但根据Technology Review的这篇文章，头盔不能完全预防脑震荡。幸运的是，美国国家橄榄球联盟（NFL）等组织正在非常认真地对待这个问题，他们为其球员推出了新的场边脑震荡测试。
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如果我们更好地理解脑震荡是如何以及为什么发生的，也许我们可以设计更好的头盔来保护球员。因此，在过去的几年里，弗吉尼亚理工大学的研究人员一直与一家名为 Simbex 的公司开发的配备传感器的头盔合作，以更好地了解在真实的橄榄球比赛中作用于头部的所有可能导致脑震荡或更糟情况的力。
这被称为头部撞击遥测系统 (HITS)，基本上是一个配备了加速度计和一个无线电发射器的专业橄榄球头盔，无线电发射器能够覆盖一个橄榄球场的长度。如果头盔受到猛烈撞击，传感器会检测到它，测量它，并将数据无线传输到场边的笔记本电脑上。
例如，当他们的球员受到特别猛烈的撞击时，这些数据可以提醒教练，以便他们知道要注意脑震荡的迹象（这并不总是立即显而易见的）。存储的数据稍后可以与中央数据库同步，以了解更多关于这类损伤的信息。
例如，根据您所打的位置，您会经历不同类型的撞击。如果您是线锋，您会受到很多低冲击力的正面撞击，而外接手可能受到的撞击频率较低，但这些撞击的强度要大得多。显然，线卫受到的撞击加速度高于线锋。也许有一天，我们会看到基于不同球员最有可能承受的撞击类型而设计的特定位置的头盔。
北卡罗来纳大学的研究人员——由凯文·古斯凯维茨领导，他也是 NFL 头部、颈部和脊柱委员会的成员——也在实验室中使用嵌入传感器的头盔来测试在典型的橄榄球擒抱中起作用的各种物理力和撞击效果。而 NFL 现在正在考虑使用的高科技设备还包括配备传感器的牙套和耳机。
你看，头盔在受到撞击时往往会移动，从而影响收集到的任何数据的准确性。这就是为什么 UNC 和斯坦福大学的研究人员都在使用配备撞击传感器的牙套——由西雅图公司 X2Impact 提供——来收集大学橄榄球运动员的类似数据，以确定（希望如此）哪些类型的撞击容易引起脑震荡，以及“是否存在超过某个阈值的撞击次数，超过这个阈值可能会发生严重的损害。”根据《Technology Review》
这些设备有六个传感器，用于测量线性和旋转力。它们将信息无线传输到场边的监控设备。一种专有算法根据牙套记录的内容估计大脑感受到的力。Mack 说，牙套在比赛过程中不会过度移动，因为它们是根据球员的嘴型模制的。当它们确实移动时，系统会识别到这一点并纠正移动。牙套还包含指示它们是否与口腔组织接触的传感器。
斯坦福大学的数据将与从各种载有传感器的头盔研究中收集的数据进行比较，并有望让科学家们更好地了解在这种橄榄球损伤中起作用的力。当然，有些人怀疑这两种设备是否都能根据给定的撞击（或一系列撞击）的力和持续时间准确预测橄榄球比赛期间的脑震荡。《Technology Review》的同一篇文章引用了波士顿大学创伤性脑病研究中心 Robert Cantu 的话，他表达了这种怀疑，但 Cantu 也补充说，“记录撞击次数非常重要”，即使不可能查明给定撞击的确切位置和力。
啄食顺序
因此，技术正在帮助揭示这个问题。那么大自然呢？也许我们也可以从不起眼的啄木鸟身上学到一些东西，正如我在今年早些时候的一篇博文中解释的那样。我最清晰的童年记忆之一是去缅因州刘易斯顿我祖母家，这是一个位于该州南部的小镇（那时）。那是一栋位于一条安静街道上的大型木板房，位于一大片树林边缘。
一个下午，我在那些树林里漫无目的地游荡，假装自己是某种探险家（孩子们都这样），直到我偶然发现一片空地，突然从我的幻想世界中醒来，意识到 (1) 我不知道自己在哪里，以及 (2) 这里安静得可怕。安静，除了偶尔从附近的一棵树上传来一阵急促的笃笃笃声在空地中回荡。我不禁想：不停地敲击树干不会让啄木鸟头痛吗？因为它看起来应该很疼。非常疼。
孩子们总是问最好、最基本的问题；他们还没有学会假装聪明，为自己的无知感到羞愧；他们只是对世界的运作方式感到好奇。最优秀的科学家也会问这类问题，这就是为什么当我们读到两位加州科学家决定深入研究为什么啄木鸟不会头痛的潜在科学时，我们可能会翻白眼并轻笑。
这不仅仅是一个简单的笑话。加州大学戴维斯分校的伊凡·R·施瓦布和他已故的同事，加州大学洛杉矶分校的菲利普·梅，因其发表在《鸟类学杂志》上的著作而获得了2006 年搞笑诺贝尔鸟类学奖——正如创始人马克·亚伯拉罕首先会告诉你的那样，搞笑诺贝尔奖旨在表彰那些首先让你发笑，然后让你思考的研究。
你看，这不是一个愚蠢的问题，尤其是在求偶期间，雄性啄木鸟一天可以鼓动多达 12,000 次（正常频率仍然令人印象深刻，每天 500-600 次，通常是为了觅食）。而且这些不仅仅是轻敲。
啄木鸟通常以每秒 18-22 次的频率敲击，减速力为 1200 g。（回想一下高中物理课，减速越慢，冲击越小，因为能量在更长的时间内消散。因此，突然停止或猛烈撞击可能会产生相当大的冲击力。）另一方面，人类会在 4 到 6 g 的加速度下失去知觉，而 100 g 的突然减速会导致脑震荡。
2011 年 2 月，一篇新论文发表在Bioinspiration and Biomimetics 上，题为“啄木鸟鼓动的力学分析及其在吸震系统中的应用”，该论文建立在施瓦布和梅早期的研究基础上。施瓦布和梅的研究发现，保护绒啄木鸟免受慢性头痛或更严重的脑震荡的关键在于它们头部的结构——“厚实的肌肉、海绵状的骨骼和第三层内眼睑”，所有这些共同作用以吸收冲击——以及啄木鸟进行直线、干净的线性敲击。根据 Live Science
在撞击到喙的前一毫秒，颈部致密的肌肉收缩，鸟类闭上厚厚的内眼睑。部分力量向下辐射到颈部肌肉，保护头骨免受全力撞击。头骨中可压缩的骨骼也提供了缓冲。同时，鸟类闭合的眼睑保护眼睛免受任何从树上弹起的木屑的伤害，并将眼球固定在原位。“眼睑就像安全带一样，防止眼睛从头部 literally 弹出，”施瓦布[说]。“否则，加速度会撕裂视网膜。”
好的，这很有趣，你可能会想，但这个见解有什么用呢？这就是加州大学伯克利分校的尹成熙和朴晟敏的用武之地。他们是最新论文的作者，他们研究了啄木鸟活动的视频，还对鸟类的头部和颈部进行了 CT 扫描（见上图），以更清楚地确定它是如何如此有效地吸收机械冲击的。
具体来说，喙既坚硬又有弹性，头骨中有一个海绵状的吸震骨区域，啄木鸟的头骨后部还有一个称为舌骨的弹簧状结构。头骨结构与脑脊液协同工作，进一步抑制振动。
然后，尹和朴着手寻找在人造机械吸震系统中人为地模仿这些特性的方法，特别是为了保护微电子元件。根据《新科学家》
为了模仿喙的抗变形能力，他们使用了一个圆柱形金属外壳。舌骨分配机械载荷的能力通过该圆柱体内的橡胶层来模仿，头骨/脑脊液通过铝层来模仿。海绵状骨骼的抗振动能力通过紧密堆积的 10 毫米直径的玻璃球来模仿，脆弱的电路就位于其中。为了测试他们的系统，尹和朴将它放在一个子弹内，并使用气枪将其射向铝墙。
科学！就我个人而言，我支持任何涉及在实验室玩气枪的研究。这不仅仅是为了让你的 iPhone 掉在地上时电子元件不会出现故障。
它还将有助于保护，例如，飞机飞行记录仪中的电子元件，从而降低关键信息在发生坠机事故时损坏的可能性。科学家们发现，他们的机械吸震系统将微电子元件的故障率从 26.4%（使用传统的硬树脂方法）降低到 0.7%，尽管微电子元件遭受的冲击水平高达 60,000 g。
正在讨论的其他应用包括在“掩体粉碎炸弹”中使用吸震系统，以及保护航天器免受太空碎片（一个日益严重的问题，尤其是在我们目前对轨道卫星进行通信的依赖程度很高的情况下）的侵害。
它甚至可能在 F1 赛车中发挥作用，保护车手免受在不可避免的事故中遭受的严重脑损伤和内伤。
这里有另一个关于可能应用的建议：保护橄榄球运动员免受脑震荡。虽然一些运动器材制造商吹嘘他们的头盔具有卓越的安全性，但国家运动器材运动委员会执行主任迈克·奥利弗告诉《Technology Review》，“我们从测试数据中得知，[市场上]的所有头盔[在性能上]几乎相同。”
这怎么可能呢？回想一下不起眼的啄木鸟，它是如何以直线、线性的方式用喙敲击树干的。这是关键，因为头部损伤——在橄榄球运动及其他领域——不仅仅是线性加速度的结果，还包括过多的扭矩，在扭矩中，头部旋转或扭曲。根据奥利弗的说法，“大脑对扭矩非常敏感，一些科学家认为这也导致大脑和脑干之间产生张力。”
人为因素
这里有一些令人震惊的统计数据：2000 年对 NFL 球员的一项研究发现，超过 60% 的人在他们的职业生涯中至少遭受过一次脑震荡；26% 的人遭受过三次或更多次脑震荡。这些球员还报告了记忆力、注意力、言语和头痛方面的问题。
损害不仅限于他们的职业生涯：2007 年的一项研究检查了近 600 名职业生涯中曾遭受过三次或更多次脑震荡的退役 NFL 球员，发现其中 20% 的人患有抑郁症——是从未遭受过脑震荡的球员的三倍。
抑郁症通常会导致自杀，就像 2006 年，前橄榄球运动员安德烈·沃特斯朝自己头部开枪自杀。对他的脑组织进行的尸检分析显示，他患有一种称为慢性创伤性脑病的退行性疾病的迹象，这种疾病在拳击手中更为常见（拳击手也很容易发生脑震荡）。
今年，当芝加哥熊队前明星戴夫·杜尔森震惊NFL 社区时，他朝自己胸部开枪自杀，就在此前，他还给他前妻发短信，要求将他的大脑捐献给 NFL 的大脑库以供进一步研究。杜尔森的悲惨自杀可能还有其他促成因素——他遇到了个人和经济问题——但他也正在经历日益恶化的短期记忆丧失、视力模糊和慢性疼痛。
看到了吗？我告诉过你问为什么蜂鸟不会头痛不是一个愚蠢的问题。嘲笑看似多余的科学研究很容易，但在这种情况下，像更仔细地观察啄木鸟这样微不足道的事情有一天可能会帮助阻止 NFL 球员的脑损伤。对于戴夫·杜尔森来说可能为时已晚，但对于明天的橄榄球明星来说还不算晚。