大巨嘴鸟喙

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大巨嘴鸟的鸟喙在社交、觅食、采集食物和筑巢等行为中起著关键作用。由于巨嘴鸟的喙不能完全再生，演化使其发展出既坚韧又轻巧的生物材料的机械特性，以便于飞行。尽管喙长约占全身长度的三分之一，但重量却不到总体重的3%。喙的结构不仅影响其力学特性，也决定了生活方式。随着仿生学的兴起，这种结构特点也被应用到建筑、运输和防护装备等多个领域。

## 结构

### 外部喙

巨嘴鸟喙采用多层结构设计：薄而坚硬的外壳覆盖着主要呈蜂窝状的内部结构。外层由称为角蛋白鞘（的组织构成，由多层β角蛋白薄片构成。每层厚度约2至10微米，整体堆叠约0.5至0.75毫米，且随喙长位置略有变化。这层由直径约50微米的六角形角蛋白细胞构成的层压结构，内部交织着随机取向的纤维网，赋予其各向同性的力学特性。此结构作为黏弹性介质，可以在强力撞击时分散能量，降低局部损伤，防止喙体开裂。

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巨嘴鸟的喙外层由六角形角蛋白单元构成的鞘以及内部封闭蜂窝状的泡沫结构组成。羟磷灰石现象存在，但程度低于内部泡沫层。巨嘴鸟喙鞘中角蛋白的硫硫含量远低于其他角蛋白结构（如毛发），因此胱氨酸含量也较低，显示二硫键交联程度较低。

这种结构类似三明治层叠设计，具有协同作用，薄而坚固的外壳层包覆着泡沫状的内部。上、下喙部的横切面显示了此结构特性。

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### 内部喙

内部喙主要由胶原蛋白组成，富含甘氨酸，硬度与骨骼相似。其胶原蛋白小梁的厚度在70至200微米之间，多呈中空结构，其边缘连通度较高，并由一层更薄的膜（2至25微米）形成闭孔泡沫网络，即便密度较低也能保持优良的强度，这对飞行十分重要。此外，泡沫和小梁的钙矿化程度高于外部结构，其微硬度与奈米硬度测试均显示内部结构比外层更为坚固。

## 机械与材料性能

已有研究对巨嘴鸟喙的机械性能进行了测试。整体喙的表观密度约为每立方公分0.1至0.25克。

### 外层性能

喙的外壳，也就是角质鞘（rhamphotheca），抗拉强度约为50 MPa，杨氏模量为6.7 GPa。并且角蛋白层的降伏强度平均值约为30 MPa。此外，喙的降伏强度对应变速率十分敏感，并与角蛋白鳞片间胶粘剂的黏弹性有关。当喙的降伏应力接近或超过极限抗拉强度时，喙的角蛋白鳞片会优先破裂，而非鳞片间黏弹性胶层的变形。就喙内角蛋白的杨氏模量与降伏强度而言，这些数值在纵向与横向方向上均未发生变化。因此，角蛋白壳可视为横向各向同性材料。角蛋白鳞壳的断裂力学模式显示出对断裂发生时的应变速率有依赖性。在较低应变速率下进行测试时，发现鳞片会因有机胶粘剂脱落而滑动；而在较高应变速率下，角蛋白鳞片则会直接断裂。透过进一步的硬度测试，确定了角蛋白鳞壳的微硬度和纳米硬度分别为 0.22 ± 0.01 GPa 与 0.48 ± 0.06 GPa。

### 内部性能

巨嘴鸟喙内部由小梁（trabeculae）组成的泡沫部分，其杨氏模量约为 12.7 GPa，高于外层，这主要与较高的钙含量有关。泡沫的相对密度被测定为 0.09。小梁的显微硬度和奈米硬度分别为0.28±0.03 GPa和0.55±0.12 GPa，此外，喙内泡沫的压应力会随着密度增加而上升，平均压应力值为 0.17 MPa。

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## 功能

巨嘴鸟的喙具有多种功能，包括作为体温调节器官，用于热交换，并在防御中发挥作用。巨嘴鸟拥有极大的喙，其面积约占鸟体总表面积的40％。与其他鸟类相比，巨嘴鸟常处于月平均温度较高的环境，且喙的长度最长。喙的尺寸随地理及温度变化而有所不同，可能与资源利用和繁殖有关；早期研究将其与性状（如择偶或鸣叫）联系起来。然而，近期的研究则认为，喙主要参与体内恒定。

### 温度调节

作为内温动物，巨嘴鸟透过新陈代谢产生体热，并借由与环境进行热交换来调节体温。这种热交换通常发生在扩大的、无保温层且具有良好血管新生的附肢中，借由血液流动达到高效热交换。巨嘴鸟的喙鞘下具有浅表血管网络，支撑著喙的角蛋白鞘（rhamphotheca）。当气温高于热中性区时，巨嘴鸟会扩张喙部血管，使血液大量流向喙部，促进热交换和散热。而当气温低于热中性区时，血管则会收缩，以保存代谢的热能。研究显示，在较高温的环境中，无论是成年巨嘴鸟或幼鸟，其喙部皆可见热量分布，显示喙主要用于释放热以达到降温效果；在较低温环境下，喙的温度大致与环境相当，仅有喙的近端呈现较高温度，显示血液可能从喙部导回至体内以维持体温。另有研究指出，巨嘴鸟的喙内部泡沫结构及快速导热的特性，使其在寒冷气候下成为热量流失的来源，因此巨嘴鸟通常在睡眠时将喙收于翼下，以协助保留保温。

### 进食

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巨嘴鸟属于杂食性动物，能利用强大的喙破碎大种子，轻松采集水果、蔬菜、昆虫、蛋类甚至小型鸟类，以满足能量需求。

### 防御

巨嘴鸟的天敌包括森林中的雕、鹰及猫头鹰，而巢穴有时会遭受蚺、美洲虎及长尾虎猫的侵扰。为了自保，巨嘴鸟会以啄击和大声叫喊来吓阻敌人，同时警告同伴。

## 仿生应用

由于巨嘴鸟喙结构轻巧却又坚固，能有效吸收撞击能量，成为仿生设计的热门对象。尽管其喙仅占全身质量的二十分之一，却不影响飞行性能。如其角质层与封闭泡沫结构在能量吸收、抗压性及隔热方面均表现出色，这使得巨嘴鸟喙成为设计新型材料和产品的重要参考模型。然而，目前在生物模拟模型中，对巨嘴鸟及其喙的应用仍然有限。

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### 建筑

例如，巴西生物学家兼建筑师阿莱桑德拉·阿劳霍（Alessandra Araujo）参与设计了位于巴西巴伊亚州的沃图酒店（Votu）。这家酒店旨在保护并支持当地的原生物种。阿劳霍运用了多项仿生设计理念，例如：草原犬鼠利用洞穴来避高温，巨人柱仙人掌的自我遮蔽效果，以及巨嘴鸟喙在调控温度上的高效表现。

在沃图酒店的整体布局中，客房和厨房的设计参考了巨嘴鸟喙的结构。由于酒店致力于降低空调和电力的消耗，厨房的设计灵感来自于巨嘴鸟在炎热白天与凉爽夜晚极端温差下的生存策略。具体来说，当厨房产生的热气上升到天花板时，这些热气会透过铜管引导至穿过屋顶土壤的路径，在屋顶花园阴影中降温后再回流至厨房，从而形成一个天然空调系统，无需额外能源投入。

### 防护装备

目前，基于巨嘴鸟喙特性的仿生应用多数仍处于概念阶段。其中较受关注的一项是利用其设计原理来改良个人防护装备，比如头盔（安全帽）。

头盔对于骑自行车、摩托车、攀岩者、运动员等个体的安全至关重要。然而，传统头盔常因沉重、笨重及佩戴不适而使使用者不愿长时间佩戴，从而提高了头部受伤的风险。透过将巨嘴鸟喙的特征融入新的头盔设计中，头部受伤的风险可能会降低，因为新的设计可能会提供更舒适、更轻巧、更薄但更强的防护装备。这些新的头盔或防护装备以巨嘴鸟喙为灵感，拥有轻质但强大的特性。此外，这些新头盔的外观设计可以更加纤薄、较少笨重，并且可能消除因其不讨喜的外观而对佩戴头盔的犹豫。同样，巨嘴鸟喙的设计理念也能应用于橄榄球护具及其他防护装备上，既减轻重量，也避免对运动表现产生负面影响。一些当前的防护装备会限制运动能力，例如，过于笨重的膝垫会妨碍滑冰者的速度。

### 其他

基于巨嘴鸟喙部能量吸收特性设计的应用，亦包括发展不影响燃油经济性的抗撞击车辆。这些可能性可以利用巨嘴鸟喙结构特性所产生的能量吸收能力。著名的材料研究者梅耶斯（Marc A. Meyers）对巨嘴鸟喙进行了深入研究，并提出了另一个应用于汽车的建议；创建比当前车辆面板更轻、更强、更安全的车辆面板。梅耶斯还指出，巨嘴鸟喙设计，特别是超轻量的特性，可以应用于飞机或其他车辆部件。

另一个应用巨嘴鸟特性（虽然并非特指喙特征）的例子是“喙激光投影仪”项目。这个投影仪是一款便携式投影仪，其设计灵感来自巨嘴鸟将长喙收于脖部并藏于翅膀下的能力。这一设计使得投影仪达成了“头部旋转”的目标，同时提供了更好的可用性、便利性，并且达到了最紧凑的形态。