農(nóng)機(jī)觸土部件仿生減粘技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

劉露，王蓮冀，胡紅，廖勁楊

（1.610039 四川省 成都市 西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.610039 四川省 成都市 西華大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院）

0 引言

仿生技術(shù)是一種用人造的處理手段、物質(zhì)、設(shè)備或系統(tǒng)模仿自然的技術(shù)，在醫(yī)療、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有應(yīng)用[1]。在農(nóng)業(yè)方面，根據(jù)土壤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)或掘土?xí)r具有脫土減粘的現(xiàn)象，提取并模仿此類動(dòng)物身體某些部位的幾何構(gòu)型或運(yùn)動(dòng)特征，制造成仿生部件，降低土壤粘附，增加耐磨特性、使用效率及壽命。吉林大學(xué)的科研人員在20 世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)蚯蚓、蜣螂、穿山甲等動(dòng)物具有良好的防粘減土特性，1993 年吉林省批準(zhǔn)成立以工程仿生研究所為技術(shù)依托的“吉林省地面機(jī)械仿生技術(shù)與仿生功能材料中試基地”。截至目前，機(jī)械仿生成為國家“211 工程”農(nóng)機(jī)工程重點(diǎn)學(xué)科[2-3]，并得到了仿蚯蚓柔性蠕動(dòng)機(jī)器人、仿生開溝器、仿生非光滑犁壁等新產(chǎn)品。

為了明確農(nóng)機(jī)觸土部件仿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文按照土壤動(dòng)物柔性運(yùn)動(dòng)特征、分泌物和身體器官進(jìn)行分類，綜述了目前國內(nèi)農(nóng)機(jī)觸土部件的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用案例，并按照時(shí)間順序整理了相應(yīng)部件。探尋仿生減粘技術(shù)的發(fā)展方向，以期為優(yōu)化農(nóng)機(jī)觸土部件設(shè)計(jì)、滿足農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展需求提供參考。

1 基于土壤動(dòng)物柔性運(yùn)動(dòng)特征的仿生研究現(xiàn)狀

土壤動(dòng)物柔性特征是一些土壤動(dòng)物通過轉(zhuǎn)動(dòng)、蠕動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，減少與土壤的接觸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)土壤無法壓實(shí)接觸面的目的[4]。對(duì)具有柔性特征的動(dòng)物分析表明，這些動(dòng)物均能實(shí)現(xiàn)減少粘附，常見的具有柔性特征的土壤動(dòng)物有蚯蚓、馬陸等。目前國內(nèi)外主要集中在對(duì)蚯蚓的仿生研究。

蚯蚓是一種常見的柔性動(dòng)物，生活在潮濕的土壤中，晝伏夜出，攝入畜禽糞便和有機(jī)廢物垃圾，也攝入植物的腐爛莖葉等碎片，可使土壤疏松、改良土壤、提高肥力促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)[5]。用SZX12 體視顯微鏡對(duì)蚯蚓表面特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，蚯蚓身體由100 多個(gè)體節(jié)組成，其頭部呈圓錐狀，體部呈圓柱狀，體節(jié)與節(jié)間組成環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，環(huán)的中間部分隆起成裬且有剛毛，在爬行時(shí)起固定支撐作用和輔助運(yùn)動(dòng)作用。蚯蚓體表不同部位的非光滑程度各不相同，體部紋理小而密，頭部紋理大而稀[6]。根據(jù)蚯蚓運(yùn)動(dòng)特性，分為收縮態(tài)、靜息態(tài)、舒張態(tài)。舒張時(shí)，非光滑單元密度減小；收縮時(shí)，非光滑單元密度增大；靜息時(shí)，非光滑單元密度居中[7]。某一節(jié)縱向肌肉收縮時(shí)變得短而粗，環(huán)狀肌肉收縮時(shí)變得細(xì)而長，從而控制不同節(jié)的徑向尺寸粗細(xì)順序的運(yùn)動(dòng)是蚯蚓獨(dú)特的柔性蠕動(dòng)原理[8]。

目前國內(nèi)外應(yīng)用蚯蚓柔性蠕動(dòng)原理及不粘土的特性，仿生開發(fā)出各種機(jī)械部件。如吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出2 種自卸車技術(shù)[9-10]。鋼鏈采用掛鉤式安裝、非均勻布置使得其產(chǎn)生柔性變形，從而提高了自卸車的生產(chǎn)率；米智楠[11]等根據(jù)蚯蚓柔性蠕動(dòng)的原理研制出一種微小仿蚯蚓柔性蠕動(dòng)機(jī)器人，可用于核工業(yè)管道及熱交換器等復(fù)雜管道的檢測(cè)與維修。該機(jī)器人分為4 個(gè)柔性單元體，每個(gè)單元體由SMA 合金絲和金屬彈簧構(gòu)成；賈寶賢[12]等基于這種運(yùn)動(dòng)原理研制出一種孔內(nèi)行走機(jī)器人裝置，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，適用于較大曲率的彎孔、移動(dòng)速度慢的工作環(huán)境；米智楠[13]等通過腸道檢查的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)蠕動(dòng)式柔性機(jī)構(gòu)能夠在機(jī)器人和腸道之間實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能；簡小剛[14]、VICKY[15]分別通過建立軟性的安全緩沖層，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模仿機(jī)器人的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；第二屆國際創(chuàng)客節(jié)比賽上，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種以軟性材料為外殼的仿蚯蚓軟體機(jī)器人（如圖1所示），有高靈活性[16]。

圖1 仿蚯蚓軟體機(jī)器人Fig.1 Earthworm-like soft robot

2 基于土壤動(dòng)物分泌物的仿生研究現(xiàn)狀

分泌物是從一些動(dòng)物的器官、細(xì)胞或組織中產(chǎn)生的物質(zhì)。其中土壤動(dòng)物的分泌物大多在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生。通過對(duì)能產(chǎn)生分泌物的土壤動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，分泌物能潤滑接觸界面，減少土壤粘附，國內(nèi)外目前僅對(duì)蚯蚓進(jìn)行了仿生研究。

蚯蚓分泌的體表液是一種由糖苷鍵連接的、以粘蛋白為主溶質(zhì)的水劑稀溶液[17]，與體表、土壤一起構(gòu)成3 層界面系統(tǒng)[18]。體表液提供了一個(gè)弱剪切層,在土壤動(dòng)物體表與土壤層之間形成潤滑界面[19],可降低土壤對(duì)動(dòng)物體表的粘附。

馬云海[20]等基于蚯蚓分泌的體表液，以超高分子聚乙烯為原料，設(shè)計(jì)出一種仿生波紋形開溝器，該開溝器采用波紋非光滑形態(tài)的表面規(guī)律，其基體由芯鏵、鏵柄、翼板組成；在仿生波紋形開溝器的基礎(chǔ)上[21-22]，考慮土壤含水量、土壤硬度、開溝深度及開溝速度等因素，提出仿生復(fù)合開溝器（如圖2 所示）。研究發(fā)現(xiàn)，土壤堆積角測(cè)試及阻力、潤滑試驗(yàn)得出減阻率隨著土壤硬度、開溝深度、潤滑液流速的增加而增加，隨著開溝速度、土壤含水量的增加而減??；張東光[23-24]等基于蚯蚓粘液的減阻特性，設(shè)計(jì)出一種仿生注液沃土裝置（如圖3 所示）。該種裝置采用超高分子量聚乙烯為加工材料，仿照指數(shù)曲線型的深松鏟為配套機(jī)具開展土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，表面結(jié)構(gòu)、孔數(shù)、材料對(duì)土壤粘附量影響顯著，且注液影響最大。此后，采用Box-Behnben 試驗(yàn)優(yōu)化方法表明入土深度、注液量、土槽車速度對(duì)土壤黏附力的影響顯著，且深入影響最明顯。

圖2 仿生復(fù)合開溝器模型Fig.2 Model of bionic composite ditch opener

圖3 仿生注液沃土裝置Fig.3 Bionic liquid injection device for fertile soil

3 基于土壤動(dòng)物體表結(jié)構(gòu)特征的仿生研究現(xiàn)狀

在自然界中，一些土壤動(dòng)物具有強(qiáng)的挖洞能力，能借助身體的四肢快速挖土。研究發(fā)現(xiàn)這些土壤動(dòng)物具有堅(jiān)實(shí)而發(fā)達(dá)的表皮，能幫助運(yùn)動(dòng)。結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)土壤類動(dòng)物研究集中在鼴鼠、穿山甲、克氏原螯蝦、蜘蛛、螻蛄、蜣螂，而研究蜣螂最顯著。

克氏原螯蝦是一種雜食性動(dòng)物，常出沒于磚石縫隙中，能在生活及工業(yè)廢水的環(huán)境下生長良好。蜘蛛分布廣泛、善于捕捉昆蟲[25]；螻蛄善于游泳、疾走和飛行，攝食植物葉片、根與莖。蜣螂以動(dòng)物的糞便為食，在晚上活動(dòng)[26]；穿山甲喜歡夜晚覓食，夏秋時(shí)節(jié)喜歡住在山坡上層，春冬喜歡住在洞的深處[27]；鼴鼠主要攝入昆蟲，群居生活。觀察發(fā)現(xiàn)，大部分土壤動(dòng)物喜愛挖洞，進(jìn)化出了相應(yīng)的頭、腹和爪等部位，這些部位表面分布有剛毛，產(chǎn)生的剛毛與表面接觸，形成了一系列接觸區(qū)，能減少與表面接觸的黏附力[28-30]。克氏原螯蝦頭胸部與外骨骼表面有凹陷和凸包，這些結(jié)構(gòu)的一側(cè)分布有剛毛[31]；螻蛄覆翅剛毛簇狀排列，前胸背板、膜翅、腹部剛毛平行于身體排列[32]；蜣螂頭部與爪部[33-34]為凸包形，頭部的腹面和口器的四周密集剛毛；蜣螂腹部存在階梯型波紋非光滑，有凹陷，凹陷中央有小毛窩和短剛毛[35]；穿山甲爪趾活動(dòng)性強(qiáng)、自由度高，前趾最長[36-37]；鼴鼠越靠近爪尖、爪越加鋒利且磨損明顯，正面呈弧線分布，背面平狀態(tài)分布[38]。

吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)李建橋[39]等人對(duì)蜣螂體表進(jìn)行了定量研究后，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬非光滑表面，開發(fā)試驗(yàn)了仿生非光滑犁壁；張毅[40]等人設(shè)計(jì)了仿生圓盤犁犁體，以電鍍的制造形式探究了圓面規(guī)則與不規(guī)則對(duì)減阻的影響，發(fā)現(xiàn)規(guī)則的圓面減阻效果更好；文獻(xiàn)[41-42]分別分析了蜣螂體表數(shù)字特征，為了適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)需求，探索了不同加工工藝并規(guī)范了犁壁單元體尺寸；在吉林大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生犁基礎(chǔ)上[43-44]，深入研究蜣螂的減黏原理和生理規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種仿生非光滑犁-普通犁表面規(guī)律分布具有特殊形狀的單元幾何體。田間試驗(yàn)證明，這種仿生犁壁與土壤接觸時(shí)，可產(chǎn)生微振效應(yīng)、水膜不連續(xù)效應(yīng)和界面空氣膜效應(yīng)，表現(xiàn)出翻土碎土率高的優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)單元的填充程度與底圓半徑占減阻性能的主要因素；王國林[45]等基于蜣螂等土壤動(dòng)物的非光滑體表結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了推土板仿生分形設(shè)計(jì)并開展推土試驗(yàn)，增加了土壤大變形和微振效應(yīng)，減少了黏附的發(fā)生；何龍飛[46]等結(jié)合仿生犁的現(xiàn)有理論，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了仿生非光滑螺旋鉆頭，解決了粘性土鉆進(jìn)螺旋鉆頭阻力大的難題。這種仿生鉆頭采用單翼片式的鉆頭結(jié)構(gòu)，球冠狀的凸包形狀，對(duì)稱的凸包表面（如圖4 所示）。土壤試驗(yàn)表明這種鉆頭有效降低功率消耗、節(jié)約能源；文獻(xiàn)[47-48]分別研制了仿生金剛石鉆頭，這種鉆頭的工作層唇部始終有相同的非光滑形態(tài)。野外生產(chǎn)試驗(yàn)表明，這種鉆頭具有更好的耐磨性能及減阻特點(diǎn)。

圖4 非光滑鉆頭設(shè)計(jì)圖Fig.4 Non-smooth bit design

吉林大學(xué)研究人員[49-51]對(duì)凸包形非光滑表面進(jìn)行了三維有限元分析，提出凸包形推土板的減粘分析，假設(shè)凸包形狀，開展凸包形推土板與光滑推土板的土壤對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果表明，凸包形推土板減粘效果更好，且凸包高度不宜過大；賈得順[52]模仿蜣螂、穿山甲等的形態(tài)、器官結(jié)構(gòu)與控制原理設(shè)計(jì)了一種仿生型推土板，模擬仿真了拋物線型、圓弧型、擺線型等不同準(zhǔn)線形式的模型。在土槽實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果表明，漸開線型推土板減阻能力最好；肖茂華在楊玉婉對(duì)鼴鼠前肢手掌趾而設(shè)計(jì)的仿生旋耕刀[53]的基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)肢類動(dòng)物螻蛄爪趾特征，運(yùn)用逆向工程技術(shù)擬合輪廓曲線，設(shè)計(jì)了一種基于螻蛄爪趾的仿生旋耕刀[54]，如圖5 所示。以刀軸轉(zhuǎn)速為自變量，探究了與仿生旋耕刀扭矩、三向阻力與國際旋耕刀之間的聯(lián)系，田間試驗(yàn)證實(shí)該仿生旋耕刀能有效降低水平、豎直阻力和平均能量損耗。

圖5 仿生旋耕刀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of bionic rotary tillage knife

吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)等人利用土壤動(dòng)物的特性，應(yīng)用到深松部件中。早期的深松機(jī)應(yīng)用單一、效率低[55]。之后，賈紅雷[56]等人研制出仿穿山甲鱗片扶壟鏟，具有優(yōu)良的減粘性能。作為仿生智能耕播機(jī)的核心部件，有效解決了大豆發(fā)育慢的難題。利用耦合仿生的方法，深入研究穿山甲鱗片和狗獾爪趾的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種最大程度減少粘附阻力的仿生深松鏟，如圖6 所示。通過田間試驗(yàn)等，得到了不同深度下運(yùn)動(dòng)速度和使用材料的有效值[57-59]。為解決旋耕刀纏草問題，該團(tuán)隊(duì)和其余高校[60-61]發(fā)現(xiàn)仿鼴鼠足趾結(jié)構(gòu)能有效減粘，2017 年研發(fā)出旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀，通過仿真和田間試驗(yàn)證實(shí)在提高扭矩、完成作業(yè)質(zhì)量方面均較國際旋耕刀好。2018年基于足趾的多窄齒組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出仿生切土刀片（如圖7 所示），并開展土壤試驗(yàn)探究證明了該部件能有效減小水平阻力[62-63]。

圖6 耦合仿生深松鏟Fig.6 Coupled bionic deep loose shovel

圖7 仿生型切土刀片示意圖Fig.7 Schematic diagram of bionic earth cutting blade

4 展望

目前基于土壤動(dòng)物的特殊體表而研究的仿生學(xué)雖取得一定進(jìn)展，但對(duì)該領(lǐng)域的研究還不夠深入，認(rèn)識(shí)的減阻結(jié)構(gòu)有限，實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)往往經(jīng)過處理，并且由于現(xiàn)代仿生作業(yè)的研究深入，對(duì)農(nóng)機(jī)觸土仿生部件提出了更高的強(qiáng)度、韌性等要求，因此結(jié)合目前國內(nèi)外仿生技術(shù)的研究現(xiàn)狀及需求，提出以下展望：

（1）加強(qiáng)仿生材料及多種工藝方法的使用的研究。表面涂層、表面熱處理等方法產(chǎn)生的復(fù)合仿生材料將在農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件發(fā)揮重要作用。如使用耐磨性、耐沖擊性好的超高分子量聚乙烯是仿生上耐環(huán)境的一種優(yōu)良材料；聚四氟乙烯涂層具有良好的疏水性，耐磨性強(qiáng)，減阻性能良好，其特殊的螺旋結(jié)構(gòu)和不粘性質(zhì)有一定作用。

（2）加強(qiáng)脫土機(jī)理研究。土壤動(dòng)物的脫土過程多為動(dòng)態(tài)，粘附界面理論的研究不應(yīng)只局限于靜態(tài)，應(yīng)結(jié)合粘附力學(xué)與規(guī)律探討粘附阻力與非光滑結(jié)構(gòu)單元的填充程度、類型及排布方式等的動(dòng)態(tài)聯(lián)系并且結(jié)合耦合效應(yīng)等設(shè)計(jì)出更有效的復(fù)合型仿生技術(shù)。同時(shí)，通過開展模擬仿真和土壤試驗(yàn)算得不同技術(shù)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)速度、最優(yōu)深度、最優(yōu)尺寸等值。

（3）強(qiáng)化生物的在體測(cè)試與分析。目前的部件設(shè)計(jì)多是基于土壤動(dòng)物的爪趾輪廓，未針對(duì)觸土部件的使用環(huán)境進(jìn)行生物原型的計(jì)算和分析，且研究多集中于無生命的離體動(dòng)物。應(yīng)提高觸土部件的優(yōu)化可靠性并增加在體動(dòng)物的無清理試驗(yàn)次數(shù)，將土壤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特征引入觸土部件機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，如化學(xué)吸附、耐磨減阻等特性。

（4）高度重視農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合。針對(duì)各區(qū)域的土壤類型、粘土含水率、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等的不同，觸土部件優(yōu)化要符合當(dāng)?shù)胤N植農(nóng)藝需求，兼并經(jīng)濟(jì)綠色、使用壽命等要求，以易操作、易攜帶等性質(zhì)滿足農(nóng)民自我需要。如丘陵地區(qū)土壤含水量較高，部件一定要優(yōu)先考慮耐腐蝕；沙漠地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量與含水率較低，優(yōu)先考慮耐磨性和潤滑性。