Waarom de specht geen hoofdpijn krijgt - NEMO Kennislink
Auteur: Joris Messelink | 8 april 2011
Elke dag ervaren we de effecten van massavertraging. Dat kan heel fijn zijn: zonder zouden we niet op de aarde blijven staan. Soms is het ook levensgevaarlijk, zoals bijvoorbeeld bij een auto-ongeluk. Gelukkig biedt ons lichaam bescherming tegen deze grote kracht. Maar tot hoe ver kan de mens deze nog aan? En hoe kunnen we ons er tegen beschermen? Onderzoek wijst uit dat de bouw van de spechtenkop ons veel kan leren over schokabsorptie.
Een dunne mist hangt over het bos. Langzaam komt de zon op, die de aarde verwarmt. Het bos wordt wakker, op het ritme van de drummer van het bos. Het is de specht, die al vroeg in het voorjaar roffelt op bomen om een partner te vinden en zijn territorium veilig te stellen. Ook hakt hij al kloppend een nest uit, waar later de eieren in worden gelegd. De specht klopt achter elkaar door, soms wel 12.000 keer per dag. Hierbij staat zijn kop bloot aan zeer sterke krachten. Hoe kan het dat de specht daar geen hoofdpijn van krijgt?
De zwarte specht (Dryocopus martius). De lange staart, die de vogel nu tegen de boom houdt, is belangrijk om in balans te blijven bij het klimmen in de boom en het kloppen. De specht kan namelijk recht tegen een boom op lopen wat erg handig is bij het zoeken naar eten.
Je staat in een lift. Nergens zijn ramen waardoor je naar buiten kan kijken, van buiten hoor je verder helemaal niks. Waar ben je, vraag je jezelf af. Je voelt dat je met beide benen stevig op de grond staat. Gelukkig, denk je, ik weet in ieder geval dat ik nog op aarde ben, toch?
In een lift kun je niet voelen of je op aarde bent.
Flickr, Gideon Tsang, CC BY-SA 2.0
Mis. Als deze lift ergens in de ruimte zou zweven en constant versnelt met precies de valversnelling op aarde, dan word je even hard tegen de liftvloer aangedrukt als wanneer de lift op aarde zou staan. Dit is het beroemde equivalentieprincipe van Einstein, waar hij zijn algemene relativiteitstheorie op gebaseerd heeft.
Versnelling wordt vaak aangegeven met de eenheid G: het aantal keer de versnelling van de aardse zwaartekracht. De G komt van het Engelse gravity. We ondervinden ons hele leven lang versnellingen (vaak foutief G-krachten genoemd), oplopend tot vele malen de valversnelling. Als deze echter flink groter worden dan de versnelling die de zwaartekracht ons geeft, kan ons lichaam daar niet altijd goed tegen.
Wat doet versnelling met ons lichaam?
Een hersenschudding is vrijwel nooit dodelijk. De symptomen van de meeste hersenschuddingen zijn na een paar weken verdwenen. Er zijn wel factoren die het herstel langer kunnen laten duren. Bijvoorbeeld als je eerder hersenschade hebt gehad of drugs gebruikt hebt. Ook een depressie kan het herstel vertragen.
In een onderzoek van 2009 stelden onderzoekers uit Montreal dat mensen die meerdere hersenschuddingen hebben gehad op latere leeftijd gemiddeld een grotere afname van fysieke en mentale vermogens hebben. De proefpersonen met zo'n verleden hadden meer geheugenverlies en een lagere spiersnelheid.
Doordat ons weefsel flexibel en vervormbaar is, kan het veel klappen goed absorberen. Een harde pets op het gezicht kan in korte tijd honderden G opleveren, maar zal nooit echte schade aanrichten. Een constante versnelling van 16 G van een paar minuten kan daarentegen dodelijk zijn.
Het maakt ook uit van welke richting de versnelling komt. Bij verticale versnelling naar beneden wordt bloed van het hoofd weg gestuwd. Hierdoor krijgen de hersenen op een gegeven moment te weinig zuurstof en krijg je een black-out. Bij de meeste mensen gebeurt dat bij een versnelling vanaf 5 G.
Het omgekeerde geval is veel gevaarlijker: als je bloed naar je hoofd toe wordt gestuwd komen de bloedvaten van je ogen sterk onder druk te staan. Vanaf 3 G gaan de vaten in je ogen sterk opzwellen, waarbij je een red-out krijgt. Dit heet zo omdat je hierbij opeens alles rood ziet. Wordt de versnelling nog groter, dan kunnen de vaten barsten.
De grootste versnellingen
De vertraging die een spechtenkop doorstaat tijdens het kloppen, is veel groter dan wat het menselijk lichaam kan hebben. Toch is het nog lang niet de grootste versnelling op aarde.
Wikimedia Commons, Kjersti Holmang, CC BY-SA 3.0
Stilstaan op de maan 0,17 G
Stilstaan op aarde 1,0 G
Meest extreme achtbanen 3,5 tot 6,3 G
Een Formule 1 auto die vol op de remmen staat 5 G
Een straaljager die een scherpe bocht maakt 9 tot 12 G
Tijdens een frontale autobotsing 100 G
Vertraging spechtenkop tijdens het kloppen 1200 G
Een kogel afgevuurd met een pistool 31.000 G
Proton in de LHC in Genève 190.000.000 G
De decellerator van John Stapp
Horizontale versnelling kunnen mensen veel beter doorstaan. Hoe goed was lange tijd onbekend, tot in 1947 officier van de Amerikaanse luchtmacht John Stapp besloot uit te zoeken tot hoe ver je kan gaan.
Tientallen gebroken botten, gebroken ribben, netvliesloslating en gesprongen bloedvaten in het oog: dat alles had John Stapp ervoor over om te weten te komen welke G-krachten een mens nog aankan. Hij deed zijn experimenten in een zelfgebouwde decellerator, een apparaat dat in korte tijd zeer sterk kan vertragen.
De decellerator bestond uit een karretje op een rails van 610 meter lang met een 14 meter lang hydraulisch remsysteem, een van de sterkste die ooit gemaakt is. Tijdens de eerste onbemande rit vloog de kar van de rails af, maar een paar maanden later verliep de eerste bemande rit vlekkeloos.
John Stapp in zijn eigen decellerator.
Door zelf deze decellerator (bijgenaamd de 'Gee Whiz') te berijden toonde Stapp aan dat een mens op zijn minst een vertraging van 45 G aankan. Voorafgaand aan zijn experimenten werd aangenomen dat de grens al bij 18 G lag. De voorwaarde voor een veilige rit is wel dat de proefpersoon goed vastzit in een harnas.
Dankzij deze experimenten heeft Stapp de bijnaam 'de snelste man op aarde' gekregen. Naast het doen van deze experimenten zette hij zich sterk in voor veiligheid in onder andere vliegtuigen en auto's. Zo was hij een van de grootste voorvechters van de invoering van het verplicht dragen van een gordel tijdens het autorijden.
Nog steeds wordt er veel vooruitgang geboekt op het gebied van veiligheid bij botsingen. Zo blijkt uit een onderzoek van januari 2011 dat de zeer schokbestendige kop van de specht ons kan helpen bij het ontwerpen van mechanische schokdempers.
Spechtenkop
Als er één dier is dat weet om te gaan met sterke vertragingen, is het de specht wel. Tijdens het kloppen ondervindt zijn hoofd een vertraging tot wel 1200 G. Voor een mens zou zoiets einde verhaal zijn, maar de specht heeft er geen last van.
De onderzoekers So Sang-Hee Yoon en Sungmin Park van de Berkeley Universiteit in Californië wilden graag weten hoe het komt dat de specht geen hoofdpijn krijgt. Daarom besloten ze een spechtenkop te bekijken in een CT-scanner. Deze scanner maakt met behulp van röngenstraling een driedimensionaal beeld van de kop.
De onderzoekers ontdekten vier belangrijke onderdelen die de spechtenkop zijn bijzondere eigenschappen geven. De snavel is zeer sterk maar elastisch. Tussen de snavel en de hersenen van de specht zit een laag poreus bot. Deze koraalachtige laag absorbeert lage-frequentie-trillingen, waardoor deze niet doordringen tot de hersenen.
Onder aan de tong van de specht zit een elastische ondersteuning, die doorloopt over de hele schedel. Dit tongbeen verdeelt de klap gelijkmatig over de hele schedel. Tussen de schedel en de hersenen zit een zeer dunne laag hersenvocht, waardoor er minder trillingen worden doorgegeven van de schedel naar de hersenen.
Dit is een CT-scan van een spechtenkop, met in het roze de hersenen van de specht, goed beschermd door vier mechanismen. In het rood de sterke maar elastische snavel; in het paars de koraalachtige, schokabsorberende beschermlaag om de hersenen; in het geel het elastische tongbeen; en in het groen de laag hersenvocht tussen de schedel en de hersenen van de vogel.
DigiMorph, aangepast door Ellen Schulten
Na deze ontdekkingen over de spechtenkop te hebben gedaan, gingen de onderzoekers nog een stap verder. "Zouden we dit systeem zelf na kunnen bouwen?" vroegen ze zich af. Ze ontwierpen een cilinder met kwetsbare electronica in het midden. Om de sterke snavel na te bootsen maakten de onderzoekers een metalen omhulsel om de cilinder. De schokabsorberende werking van het tongbeen werd nagebootst met een rubberen laag aan de binnenkant van het metalen omhulsel.
De weerstand tegen trilling van het poreuze bot imiteerden de onderzoekers met dicht op elkaar gestapelde glazen bolletjes, waarbinnen de kwetsbare elektronica zat. De dunne laag hersenvloeistof werd nagemaakt met een laagje aluminium tussen de glazen bolletjes en de rubberen laag.
Om de nieuwe schokabsorberende cilinder te testen, stopten de onderzoekers deze in een hogedrukpistool en schoten hem af op een aluminium muur. De inhoud van de cilinder bleef heel tot een vertraging van 60.000 G. Dit is een hele vooruitgang: de huidige zwarte dozen van vliegtuigen kunnen een vertraging tot 'slechts' 1000 G weerstaan. Ingepakt in de namaakspechtenkop zouden ze dus een stuk beter bestand zijn tegen allerlei ongelukken.
Auto als spechtenkop
Naast een betere bescherming voor elektronica die vluchtgegevens bewaart, kan de door de specht geïnspireerde constructie ook gebruikt worden om ruimtevaartuigen te beschermen tegen botsingen met kleine meteorieten en ruimtepuin. Een andere veelbelovende toepassing is die in auto's. Niet alleen de inzittenden van een auto, maar ook de kwetsbare elektronica kunnen op deze manier beschermd worden tegen botsingen.
Wikimedia Commons, Morio, CC BY-SA 3.0
Nick Fry, hoofd van het Formule-1 team van Mercedes, is al enthousiast over wat de techniek voor autoraces zou kunnen betekenen. Eén van de grootste problemen van Formule 1 blijft volgens hem het vinden van een goede manier om de auto af te laten remmen zonder dat de organen van de bestuurder tot pulp worden gedrukt. Op dit moment proberen we met gordels en airbags de klap voor hen zoveel mogelijk op te vangen, maar als we van de auto zelf een soort spechtenkop maken richten wellicht zelfs harde botsingen niet veel schade meer aan.