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    仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)減阻中的應(yīng)用

    2014-11-28 20:58:51董銘強(qiáng)
    農(nóng)業(yè)科技與裝備 2014年2期
    關(guān)鍵詞:仿生學(xué)機(jī)理農(nóng)機(jī)

    董銘強(qiáng)

    摘要:在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。詳細(xì)介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機(jī)理,及其在農(nóng)機(jī)減阻方面的應(yīng)用現(xiàn)狀,為仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

    關(guān)鍵詞:仿生學(xué);農(nóng)機(jī);脫附減阻;機(jī)理;減粘降阻

    中圖分類號:Q811;S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)02-0030-03

    仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門新型邊緣學(xué)科,是指人類模仿生物功能發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)結(jié)構(gòu)的科學(xué)。仿生學(xué)的研究對象是生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于人造工程技術(shù)中,用以發(fā)明、創(chuàng)造新技術(shù)。該學(xué)科的問世,大大開闊了人類的技術(shù)眼界,顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑT谵r(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。近年來,仿生學(xué)提出減阻脫附基本原理,并由此設(shè)計出許多成功的產(chǎn)品,顯示出廣闊的發(fā)展前景。

    1 仿生學(xué)在脫附減阻工程技術(shù)上的應(yīng)用

    1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

    1936年,Gray J 通過20 a的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),海豚體表光滑,且皮膚表面下有許多纖維結(jié)節(jié),游動時隨著滑過體表水流剪切阻力的增大,皮膚逐漸由光滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定幾何形狀的非光滑形態(tài),從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術(shù)研制出Fastskin系列布料以及泳衣,使游泳運(yùn)動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

    德國科學(xué)家通過觀察和研究鯊魚皮膚(如圖2中所示),發(fā)現(xiàn)其表面布滿肋條狀的真皮組織。研究證實這種條紋狀表面比光滑表面對水流的阻力小,能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國航天局蘭利研究所利用,并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗,減阻效果達(dá)到了8%。

    1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

    20世紀(jì)80年代,我國結(jié)合原有的生物知識,開始研究土壤動物挖掘減阻方式。吉林大學(xué)任露泉等通過研究常見土壤動物(蚯蚓、蜣螂、穿山甲等)的活動,對它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動物脫土減粘的方法為:1) 有利于減粘脫土的非光滑外形結(jié)構(gòu);2) 體表含有有利于減粘脫土的物質(zhì);3) 可用于減粘脫土的生物電系統(tǒng);4) 分泌有利于減粘脫土的特殊物質(zhì)。利用這些方法設(shè)計的仿生犁壁,比普通35號鋼普通犁壁減小阻力15%~18%。

    2 非光滑表面減粘降阻機(jī)理

    20世紀(jì)20年代,人們從不同角度研究土壤粘附機(jī)理,提出種種不同的理論和學(xué)說,如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細(xì)管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher,Baver等認(rèn)為,土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質(zhì)產(chǎn)生的。我國學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā),提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀(jì)70年代,秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系,進(jìn)一步完善了毛細(xì)管理論。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初,吉林大學(xué)的一些研究者從不同側(cè)面對土壤粘附機(jī)理進(jìn)行了深入探索,研究多因素作用下的土壤粘附動態(tài)規(guī)律,并進(jìn)行了試驗優(yōu)化、分形分維、灰色關(guān)聯(lián)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種量化分析。

    土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動,且體表沒有泥土粘附,其動態(tài)行為(包括行走狀態(tài)和拱土狀態(tài))具有明顯的脫附減阻功能,且整個體表都有脫附減阻功能。

    2.1 生物非光滑及其仿生

    土壤動物大多數(shù)時間都在土壤中活動,其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對土壤動物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結(jié)構(gòu)組成多種多樣,有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等,具體形態(tài)如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu),非常多樣化。在一種動物身上可以發(fā)現(xiàn)多種體表組成結(jié)構(gòu),且每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和尺度有所不同。

    2.2 生物柔性及其仿生

    柔性仿生是通過對生物體表的柔性特征進(jìn)行模擬來研究人工柔性系統(tǒng)。目前,己經(jīng)有很多種具有柔性仿生結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件被設(shè)計并制造出來,例如鏈布式、鏈條式、螺旋網(wǎng)式的柔性襯及柔性鎮(zhèn)壓輥,它們的形態(tài)如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)行為來達(dá)到脫附目的,同時還可減少能耗,一舉多得。

    2.3 生物電滲及其仿生

    科學(xué)工作者們發(fā)現(xiàn),土壤動物體表具有全新的、不同于傳統(tǒng)分離式電滲的生物體表整體電滲現(xiàn)象(如圖5所示)。由于土壤動物體表多具有柔性結(jié)構(gòu),所以運(yùn)動時體表常發(fā)生形變,并由此產(chǎn)生體表電位。相對于活動較為活躍的體表區(qū)域,相對靜止的區(qū)域表面集中了更多的負(fù)電位,使體表產(chǎn)生電位差,導(dǎo)致水化陽離子向體表與土壤的接觸面集中,并對界面產(chǎn)生潤滑作用,從而達(dá)到減少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿這種特殊的現(xiàn)象,根據(jù)電滲原理(如圖6所示),人們設(shè)計了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗,在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了優(yōu)異的減粘降阻性能。

    2.4 生物構(gòu)形及其仿生

    構(gòu)形仿生就是從形狀上進(jìn)行模擬,這也是人們對仿生最早的理解。為研究土壤動物挖土效率高的原因,科學(xué)家們對這些動物的爪趾(見圖7)進(jìn)行了構(gòu)形仿生,發(fā)明并制造了帶有曲面設(shè)計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統(tǒng)的直線形深松鏟減阻19%,可更加高效的進(jìn)行田間作業(yè)。隨著社會對綠色能源的日益重視,仿生深松鏟必將越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

    2.5 生物潤滑及其仿生

    在外界環(huán)境變化或受到刺激時,具有體表潤滑功能的生物體(如蚯蚓、泥鰍等)體表會分泌粘液,在土壤和其表層皮膚之間形成潤滑層,使其在土壤顆粒中的前進(jìn)阻力減小。研究表明,生物體表特征中的潤滑、電滲等特征,對土壤動物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前,對土壤動物表面減粘降阻的研究還處于試驗階段。

    2.6 生物體表物質(zhì)構(gòu)成及其仿生

    相關(guān)研究表明,土壤動物體內(nèi)含有的某些元素,能夠幫助它們在運(yùn)動中減粘脫土。土壤動物體內(nèi)含有Si,S,P,Al,Na,Mg,Ca,F(xiàn)e,Mn等微量元素,分布在身體的不同部位。通過對土壤動物體表進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)與體表接觸的土面中,Si,S,P,Al等元素的含量較多。而這些元素表現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水特性,確保土壤動物在粘濕的土壤中運(yùn)動時,水不會粘著在體表。

    3 仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)減阻方面應(yīng)用

    根據(jù)地面機(jī)械脫附減阻的實際需求,運(yùn)用各種單元仿生、多元耦合(協(xié)同)仿生的理論及技術(shù),結(jié)合地面機(jī)械的類型、觸土部件作業(yè)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定了不同類型仿生產(chǎn)品的開發(fā)原則。目前,多種仿生脫附減阻部件已在農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛應(yīng)用。

    應(yīng)用結(jié)果表明,這些仿生部件結(jié)構(gòu)簡單,能在不影響原機(jī)正常作業(yè)的條件下,與工作裝置同步自動完成預(yù)定作業(yè),且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如,仿生犁壁、仿生鎮(zhèn)壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達(dá)90%;仿生深松鏟較傳統(tǒng)鏟減阻19%,較日本島根公司生產(chǎn)的鏟減阻6%~8%。

    4 結(jié)語

    地面機(jī)械在松軟地面行駛和作業(yè)時,存在粘附和阻力問題,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和眾多工程領(lǐng)域普遍性的技術(shù)難題。長期以來,為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì),國內(nèi)外研究人員在理論、方法、技術(shù)方面進(jìn)行研究,建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術(shù)體系,研制出多種仿生產(chǎn)品,取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明,仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用,解決了許多以前解決不了的難題。

    摘要:在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。詳細(xì)介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機(jī)理,及其在農(nóng)機(jī)減阻方面的應(yīng)用現(xiàn)狀,為仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

    關(guān)鍵詞:仿生學(xué);農(nóng)機(jī);脫附減阻;機(jī)理;減粘降阻

    中圖分類號:Q811;S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)02-0030-03

    仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門新型邊緣學(xué)科,是指人類模仿生物功能發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)結(jié)構(gòu)的科學(xué)。仿生學(xué)的研究對象是生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于人造工程技術(shù)中,用以發(fā)明、創(chuàng)造新技術(shù)。該學(xué)科的問世,大大開闊了人類的技術(shù)眼界,顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。近年來,仿生學(xué)提出減阻脫附基本原理,并由此設(shè)計出許多成功的產(chǎn)品,顯示出廣闊的發(fā)展前景。

    1 仿生學(xué)在脫附減阻工程技術(shù)上的應(yīng)用

    1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

    1936年,Gray J 通過20 a的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),海豚體表光滑,且皮膚表面下有許多纖維結(jié)節(jié),游動時隨著滑過體表水流剪切阻力的增大,皮膚逐漸由光滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定幾何形狀的非光滑形態(tài),從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術(shù)研制出Fastskin系列布料以及泳衣,使游泳運(yùn)動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

    德國科學(xué)家通過觀察和研究鯊魚皮膚(如圖2中所示),發(fā)現(xiàn)其表面布滿肋條狀的真皮組織。研究證實這種條紋狀表面比光滑表面對水流的阻力小,能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國航天局蘭利研究所利用,并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗,減阻效果達(dá)到了8%。

    1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

    20世紀(jì)80年代,我國結(jié)合原有的生物知識,開始研究土壤動物挖掘減阻方式。吉林大學(xué)任露泉等通過研究常見土壤動物(蚯蚓、蜣螂、穿山甲等)的活動,對它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動物脫土減粘的方法為:1) 有利于減粘脫土的非光滑外形結(jié)構(gòu);2) 體表含有有利于減粘脫土的物質(zhì);3) 可用于減粘脫土的生物電系統(tǒng);4) 分泌有利于減粘脫土的特殊物質(zhì)。利用這些方法設(shè)計的仿生犁壁,比普通35號鋼普通犁壁減小阻力15%~18%。

    2 非光滑表面減粘降阻機(jī)理

    20世紀(jì)20年代,人們從不同角度研究土壤粘附機(jī)理,提出種種不同的理論和學(xué)說,如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細(xì)管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher,Baver等認(rèn)為,土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質(zhì)產(chǎn)生的。我國學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā),提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀(jì)70年代,秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系,進(jìn)一步完善了毛細(xì)管理論。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初,吉林大學(xué)的一些研究者從不同側(cè)面對土壤粘附機(jī)理進(jìn)行了深入探索,研究多因素作用下的土壤粘附動態(tài)規(guī)律,并進(jìn)行了試驗優(yōu)化、分形分維、灰色關(guān)聯(lián)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種量化分析。

    土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動,且體表沒有泥土粘附,其動態(tài)行為(包括行走狀態(tài)和拱土狀態(tài))具有明顯的脫附減阻功能,且整個體表都有脫附減阻功能。

    2.1 生物非光滑及其仿生

    土壤動物大多數(shù)時間都在土壤中活動,其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對土壤動物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結(jié)構(gòu)組成多種多樣,有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等,具體形態(tài)如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu),非常多樣化。在一種動物身上可以發(fā)現(xiàn)多種體表組成結(jié)構(gòu),且每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和尺度有所不同。

    2.2 生物柔性及其仿生

    柔性仿生是通過對生物體表的柔性特征進(jìn)行模擬來研究人工柔性系統(tǒng)。目前,己經(jīng)有很多種具有柔性仿生結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件被設(shè)計并制造出來,例如鏈布式、鏈條式、螺旋網(wǎng)式的柔性襯及柔性鎮(zhèn)壓輥,它們的形態(tài)如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)行為來達(dá)到脫附目的,同時還可減少能耗,一舉多得。

    2.3 生物電滲及其仿生

    科學(xué)工作者們發(fā)現(xiàn),土壤動物體表具有全新的、不同于傳統(tǒng)分離式電滲的生物體表整體電滲現(xiàn)象(如圖5所示)。由于土壤動物體表多具有柔性結(jié)構(gòu),所以運(yùn)動時體表常發(fā)生形變,并由此產(chǎn)生體表電位。相對于活動較為活躍的體表區(qū)域,相對靜止的區(qū)域表面集中了更多的負(fù)電位,使體表產(chǎn)生電位差,導(dǎo)致水化陽離子向體表與土壤的接觸面集中,并對界面產(chǎn)生潤滑作用,從而達(dá)到減少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿這種特殊的現(xiàn)象,根據(jù)電滲原理(如圖6所示),人們設(shè)計了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗,在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了優(yōu)異的減粘降阻性能。

    2.4 生物構(gòu)形及其仿生

    構(gòu)形仿生就是從形狀上進(jìn)行模擬,這也是人們對仿生最早的理解。為研究土壤動物挖土效率高的原因,科學(xué)家們對這些動物的爪趾(見圖7)進(jìn)行了構(gòu)形仿生,發(fā)明并制造了帶有曲面設(shè)計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統(tǒng)的直線形深松鏟減阻19%,可更加高效的進(jìn)行田間作業(yè)。隨著社會對綠色能源的日益重視,仿生深松鏟必將越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

    2.5 生物潤滑及其仿生

    在外界環(huán)境變化或受到刺激時,具有體表潤滑功能的生物體(如蚯蚓、泥鰍等)體表會分泌粘液,在土壤和其表層皮膚之間形成潤滑層,使其在土壤顆粒中的前進(jìn)阻力減小。研究表明,生物體表特征中的潤滑、電滲等特征,對土壤動物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前,對土壤動物表面減粘降阻的研究還處于試驗階段。

    2.6 生物體表物質(zhì)構(gòu)成及其仿生

    相關(guān)研究表明,土壤動物體內(nèi)含有的某些元素,能夠幫助它們在運(yùn)動中減粘脫土。土壤動物體內(nèi)含有Si,S,P,Al,Na,Mg,Ca,F(xiàn)e,Mn等微量元素,分布在身體的不同部位。通過對土壤動物體表進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)與體表接觸的土面中,Si,S,P,Al等元素的含量較多。而這些元素表現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水特性,確保土壤動物在粘濕的土壤中運(yùn)動時,水不會粘著在體表。

    3 仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)減阻方面應(yīng)用

    根據(jù)地面機(jī)械脫附減阻的實際需求,運(yùn)用各種單元仿生、多元耦合(協(xié)同)仿生的理論及技術(shù),結(jié)合地面機(jī)械的類型、觸土部件作業(yè)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定了不同類型仿生產(chǎn)品的開發(fā)原則。目前,多種仿生脫附減阻部件已在農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛應(yīng)用。

    應(yīng)用結(jié)果表明,這些仿生部件結(jié)構(gòu)簡單,能在不影響原機(jī)正常作業(yè)的條件下,與工作裝置同步自動完成預(yù)定作業(yè),且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如,仿生犁壁、仿生鎮(zhèn)壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達(dá)90%;仿生深松鏟較傳統(tǒng)鏟減阻19%,較日本島根公司生產(chǎn)的鏟減阻6%~8%。

    4 結(jié)語

    地面機(jī)械在松軟地面行駛和作業(yè)時,存在粘附和阻力問題,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和眾多工程領(lǐng)域普遍性的技術(shù)難題。長期以來,為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì),國內(nèi)外研究人員在理論、方法、技術(shù)方面進(jìn)行研究,建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術(shù)體系,研制出多種仿生產(chǎn)品,取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明,仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用,解決了許多以前解決不了的難題。

    摘要:在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。詳細(xì)介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機(jī)理,及其在農(nóng)機(jī)減阻方面的應(yīng)用現(xiàn)狀,為仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

    關(guān)鍵詞:仿生學(xué);農(nóng)機(jī);脫附減阻;機(jī)理;減粘降阻

    中圖分類號:Q811;S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)02-0030-03

    仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門新型邊緣學(xué)科,是指人類模仿生物功能發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)結(jié)構(gòu)的科學(xué)。仿生學(xué)的研究對象是生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于人造工程技術(shù)中,用以發(fā)明、創(chuàng)造新技術(shù)。該學(xué)科的問世,大大開闊了人類的技術(shù)眼界,顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣過程中,阻力過大是制約其發(fā)展的重要因素,而仿生學(xué)提出了解決此問題的新思路。近年來,仿生學(xué)提出減阻脫附基本原理,并由此設(shè)計出許多成功的產(chǎn)品,顯示出廣闊的發(fā)展前景。

    1 仿生學(xué)在脫附減阻工程技術(shù)上的應(yīng)用

    1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

    1936年,Gray J 通過20 a的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),海豚體表光滑,且皮膚表面下有許多纖維結(jié)節(jié),游動時隨著滑過體表水流剪切阻力的增大,皮膚逐漸由光滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定幾何形狀的非光滑形態(tài),從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術(shù)研制出Fastskin系列布料以及泳衣,使游泳運(yùn)動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

    德國科學(xué)家通過觀察和研究鯊魚皮膚(如圖2中所示),發(fā)現(xiàn)其表面布滿肋條狀的真皮組織。研究證實這種條紋狀表面比光滑表面對水流的阻力小,能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國航天局蘭利研究所利用,并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗,減阻效果達(dá)到了8%。

    1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

    20世紀(jì)80年代,我國結(jié)合原有的生物知識,開始研究土壤動物挖掘減阻方式。吉林大學(xué)任露泉等通過研究常見土壤動物(蚯蚓、蜣螂、穿山甲等)的活動,對它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動物脫土減粘的方法為:1) 有利于減粘脫土的非光滑外形結(jié)構(gòu);2) 體表含有有利于減粘脫土的物質(zhì);3) 可用于減粘脫土的生物電系統(tǒng);4) 分泌有利于減粘脫土的特殊物質(zhì)。利用這些方法設(shè)計的仿生犁壁,比普通35號鋼普通犁壁減小阻力15%~18%。

    2 非光滑表面減粘降阻機(jī)理

    20世紀(jì)20年代,人們從不同角度研究土壤粘附機(jī)理,提出種種不同的理論和學(xué)說,如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細(xì)管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher,Baver等認(rèn)為,土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質(zhì)產(chǎn)生的。我國學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā),提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀(jì)70年代,秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系,進(jìn)一步完善了毛細(xì)管理論。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初,吉林大學(xué)的一些研究者從不同側(cè)面對土壤粘附機(jī)理進(jìn)行了深入探索,研究多因素作用下的土壤粘附動態(tài)規(guī)律,并進(jìn)行了試驗優(yōu)化、分形分維、灰色關(guān)聯(lián)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種量化分析。

    土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動,且體表沒有泥土粘附,其動態(tài)行為(包括行走狀態(tài)和拱土狀態(tài))具有明顯的脫附減阻功能,且整個體表都有脫附減阻功能。

    2.1 生物非光滑及其仿生

    土壤動物大多數(shù)時間都在土壤中活動,其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對土壤動物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結(jié)構(gòu)組成多種多樣,有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等,具體形態(tài)如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu),非常多樣化。在一種動物身上可以發(fā)現(xiàn)多種體表組成結(jié)構(gòu),且每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和尺度有所不同。

    2.2 生物柔性及其仿生

    柔性仿生是通過對生物體表的柔性特征進(jìn)行模擬來研究人工柔性系統(tǒng)。目前,己經(jīng)有很多種具有柔性仿生結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件被設(shè)計并制造出來,例如鏈布式、鏈條式、螺旋網(wǎng)式的柔性襯及柔性鎮(zhèn)壓輥,它們的形態(tài)如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)行為來達(dá)到脫附目的,同時還可減少能耗,一舉多得。

    2.3 生物電滲及其仿生

    科學(xué)工作者們發(fā)現(xiàn),土壤動物體表具有全新的、不同于傳統(tǒng)分離式電滲的生物體表整體電滲現(xiàn)象(如圖5所示)。由于土壤動物體表多具有柔性結(jié)構(gòu),所以運(yùn)動時體表常發(fā)生形變,并由此產(chǎn)生體表電位。相對于活動較為活躍的體表區(qū)域,相對靜止的區(qū)域表面集中了更多的負(fù)電位,使體表產(chǎn)生電位差,導(dǎo)致水化陽離子向體表與土壤的接觸面集中,并對界面產(chǎn)生潤滑作用,從而達(dá)到減少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿這種特殊的現(xiàn)象,根據(jù)電滲原理(如圖6所示),人們設(shè)計了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗,在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了優(yōu)異的減粘降阻性能。

    2.4 生物構(gòu)形及其仿生

    構(gòu)形仿生就是從形狀上進(jìn)行模擬,這也是人們對仿生最早的理解。為研究土壤動物挖土效率高的原因,科學(xué)家們對這些動物的爪趾(見圖7)進(jìn)行了構(gòu)形仿生,發(fā)明并制造了帶有曲面設(shè)計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統(tǒng)的直線形深松鏟減阻19%,可更加高效的進(jìn)行田間作業(yè)。隨著社會對綠色能源的日益重視,仿生深松鏟必將越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

    2.5 生物潤滑及其仿生

    在外界環(huán)境變化或受到刺激時,具有體表潤滑功能的生物體(如蚯蚓、泥鰍等)體表會分泌粘液,在土壤和其表層皮膚之間形成潤滑層,使其在土壤顆粒中的前進(jìn)阻力減小。研究表明,生物體表特征中的潤滑、電滲等特征,對土壤動物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前,對土壤動物表面減粘降阻的研究還處于試驗階段。

    2.6 生物體表物質(zhì)構(gòu)成及其仿生

    相關(guān)研究表明,土壤動物體內(nèi)含有的某些元素,能夠幫助它們在運(yùn)動中減粘脫土。土壤動物體內(nèi)含有Si,S,P,Al,Na,Mg,Ca,F(xiàn)e,Mn等微量元素,分布在身體的不同部位。通過對土壤動物體表進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)與體表接觸的土面中,Si,S,P,Al等元素的含量較多。而這些元素表現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水特性,確保土壤動物在粘濕的土壤中運(yùn)動時,水不會粘著在體表。

    3 仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)減阻方面應(yīng)用

    根據(jù)地面機(jī)械脫附減阻的實際需求,運(yùn)用各種單元仿生、多元耦合(協(xié)同)仿生的理論及技術(shù),結(jié)合地面機(jī)械的類型、觸土部件作業(yè)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定了不同類型仿生產(chǎn)品的開發(fā)原則。目前,多種仿生脫附減阻部件已在農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛應(yīng)用。

    應(yīng)用結(jié)果表明,這些仿生部件結(jié)構(gòu)簡單,能在不影響原機(jī)正常作業(yè)的條件下,與工作裝置同步自動完成預(yù)定作業(yè),且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如,仿生犁壁、仿生鎮(zhèn)壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達(dá)90%;仿生深松鏟較傳統(tǒng)鏟減阻19%,較日本島根公司生產(chǎn)的鏟減阻6%~8%。

    4 結(jié)語

    地面機(jī)械在松軟地面行駛和作業(yè)時,存在粘附和阻力問題,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和眾多工程領(lǐng)域普遍性的技術(shù)難題。長期以來,為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì),國內(nèi)外研究人員在理論、方法、技術(shù)方面進(jìn)行研究,建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術(shù)體系,研制出多種仿生產(chǎn)品,取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明,仿生學(xué)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用,解決了許多以前解決不了的難題。

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