Warum bekommt der Specht beim Hämmern keine Kopfschmerzen? Die Antwort: Kopf- und Schnabelbau wirken wie Stoßdämpfer.
Der Specht gehört zum Wald. Im Volksmund nennt man ihn auch „Zimmerer der Wälder“, denn er sit der einzige Vogel, der seine Höhlen in Bäume hämmert. Aber der Specht zimmert nicht nur Höhlen – auch seine Nahrung findet er in der Baumrinde. Um die in oder unter der Baumrinde lebenden Insekten aufzuspüren, klopft er die Rinde mit seinem Schnabel gezielt ab. Springt die Rinde unter den mechanischen Belastungen, hat der Specht sein Ziel erreicht. Nun kann er die Holz-Insekten aus ihrem Versteck holen.
Der Specht und sein Hämmern
Ein Specht schlägt mit seinem Schnabel pro Tag bis zu 12.000 Mal auf Holz. Dabei erreicht er eine Schlagfrequenz von bis zu 20 Schlägen pro Sekunde! Beim Aufprall werden Kräfte in Höhe einer 1.200fachen Erdbeschleunigung wirksam. Um diese enormen Kräfte zu kompensieren verfügt der Specht über eine vier Mechanismen, die im Zusammenspiel ihre Wirkung zeigen:
- Der Specht besitzt einen harten, aber gleichzeitig elastischen Schnabel.
- Der Schnabel geht in das Zungenbein über, welches die auftretenden Schwingungen ähnlich einer Feder abfängt.
- Die schwammartig aufgebaute Knochensubstanz, Spongiosa genannt, dämpft zusammen mit
- einer größeren Menge an Hirnwasser die Stöße ab.
Auch der Knochenbau des Spechtschnabel- und kopfes sind besonders an die Hämmerarbeiten des Spechts angepasst: So ist der Schnabel wie ein Meißel geformt und die Schädelknochen sind besonders dick. Der im Unterkiefer sitzende Quadratumknochen, leitet die Wucht des Aufschlags an die starke Halsmuskulatur weiter. Auch die Kiefernmuskeln leiten die Wucht der Schläge ab.
Inspiration für den bionischen Stoßdämpfer
Die beiden Forscher Sang-Hee Yoon und Sungmin Park von der University of California in Berkeley nahmen den Goldstirnspecht, Melanerpes aurifrons, zum Vorbild. Für den bionischen Stoßdämpfer ersetzten die Forscher den Schnabel durch eine harte Metallhülse. Darin entsprach eine Gummilage dem Zungenbein und eine zweite, innere Metallhülse übernahm die Aufgabe des Schädelknochens. Ins Innere platzierten sie Elektronikbauteile, die von dicht gepackten Glaskügelchen, welche die schwammartige Knochensubstanz simulierte, umgeben waren. Nun schossen die Wissenschaftler mit einem Luftgewehr auf die Konstruktion. Dabei wurden Belastungen von mehr als dem 60.000fachen der Erdbeschleunigung erreicht. Das Ergebnis war, dass nur wenige der empfindlichen elektronischen Bauteile beschädigt wurden.
Anwendungsmöglichkeiten für den bionischen Stoßdämpfer
Die Entwickler des Stoßdämpfer-Mechanismus nach Art des Spechts sehen Einsatzmöglichkeiten für ihre Konstruktion zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. So könnten beispielsweise Flugschreiber besser geschützt werden. In der Raumfahrt können mit dieser Technik empfindliche Teile effektiv vor umherfliegendem Weltraumschrott geschützt werden und in der Autoindustrie können Elektronikteile von einer solchen Ummantelung profitieren. Doch auch eine neue Generation von Stoßdämpfern, die die auftretenden Belastungen in Antriebsenergien umwandeln ist denkbar.
Quellen:
- Wissenschaft aktuell: Stoßdämpfer à la Specht-Schädel, 1.02.2011
- Spektrumdirekt: Spechtkopf inspiriert Entwicklung von Stoßdämpfern, 11.02.2011