農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面仿生減阻抗磨特性研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TH117.1；S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）08-0045-09

DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2025.08.007

Abstract：Theworking environmentofagriculturalearth-touching machinesisharsh，with directcontact with soil， gravel，stones，etc.，resulting inwear，impact，andoperating inanon-lubricated state.Thetraditional methodsof reducingimpedancegrinding，suchas increasing hardness，singlebionicapplication，oraddingsoil guidegrooveonits Working surface，have limited efectonreducing metal wear and reducing drag，showing minimal improvement in the drag andwearreduction performanceof agriculturalearth-touching components.Tobetter promote the developmentof surface bionicwearresistant characteristics，theresearch statusof bionicimpedanceand grindingreductionforagricultural soil-contactsurfaces wasreviewed from the perspectives of configuration bionic，surface micro-structure bionic，flexible bionicandcoupling bionic.Thestudy foundthatsingle-type bionic solutionscanno longer mettheneeds ofmoderrapid development of agriculture.Future research shouldadhere tothe principleofcomplementaryadvantages，givefullplay to thesubjective inititive，use diferent typesof impedanceandgrinding reduction technologyrationall，andstrive to maximize the use of various resistance and wear reduction technologies.

Keywords：agricultural earth-touching machine;abrasive wear； bionic； impedance reduction mill； coupling bionics

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)具材料從石、骨、木發(fā)展到青銅、鐵、鋼，使用壽命遞增。目前，研究主要集中在減少農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作時(shí)的阻力以及提升觸土部件的耐磨性能上。2024年2月29日，我國(guó)自然資源部公布《2023年中國(guó)自然資源公報(bào)》，其中耕地面積為 127580khm² 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年在土壤中直接磨損的金屬材料占制造農(nóng)業(yè)觸土部件所需鋼材的 27% 。農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件的磨損是影響其生產(chǎn)效率和能耗的主要因素，其中最典型的是土壤對(duì)觸土工作部件的磨損。農(nóng)業(yè)機(jī)械報(bào)廢的很大一部分原因是觸土部件與土壤之間的磨粒磨損失效，其比例已高達(dá) 60% 以上[1，2]。

在自然界中很多生物已經(jīng)進(jìn)化出相應(yīng)的技能來(lái)減少摩擦。比如在土壤中生活的掘土動(dòng)物，為適應(yīng)土壤中的生活，進(jìn)化出很多能夠降低挖掘阻力、土壤黏附和磨損的結(jié)構(gòu)，這為觸土部件的減阻、減黏和耐磨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了天然的摹本[3]。例如馬來(lái)西亞穿山甲[4因其經(jīng)常在沙土中挖掘和移動(dòng)以捕食獵物，在體表進(jìn)化出長(zhǎng)約3cm 、寬約 2cm 的甲片，這些甲片能有效抵抗磨蝕性沙土的磨損；蛇的鱗片[5可以增大摩擦，這樣有利于其移動(dòng)；芋頭葉表面的乳頭狀突起與蹼狀脊隔開，使其表現(xiàn)出疏水性[，因此始終能保持葉面的整潔；與芋頭相似的還有荷葉，其表面也有疏水性，使其能保持葉面整潔等。這些自然界生物表面表現(xiàn)出來(lái)的摩擦學(xué)特征，為研究提供許多可以借鑒的樣本。為更好地促進(jìn)表面仿生在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具減阻抗磨方面的廣泛應(yīng)用，本文從構(gòu)型仿生、表面微結(jié)構(gòu)仿生、柔性仿生和耦合仿生4個(gè)方面綜述農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面仿生抗磨特性的研究進(jìn)展，并對(duì)其逐個(gè)分析，為今后的研究提供參考。

1農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的磨損機(jī)制

農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的損壞失效最主要的原因是與土壤接觸造成的磨損。農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的磨損形式有磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損、沖蝕磨損和疲勞磨損，其中磨粒磨損是最為常見和突出的磨損形式[8]。農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的工作環(huán)境一般是在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行的，農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具直接與土壤接觸，頻繁受到土壤、石塊、砂礫等的磨損、擠壓、沖擊，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具工作環(huán)境惡劣，像這樣在硬粗糙表面或硬顆粒在軟表面上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的塑性變形或者斷裂而引起的表面損傷就是磨粒磨損。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中大多數(shù)的磨損形式均屬于磨粒磨損9（圖1），根據(jù)摩擦副間是否存在可自由移動(dòng)的硬質(zhì)粒子，磨粒磨損被分為兩體磨損和三體磨損。兩體磨損是指當(dāng)部件與土壤表面或表面鑲嵌的磨粒相互接觸并發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，硬度較高的一方對(duì)硬度較低的一方產(chǎn)生的磨損，如犁鏵與土壤等物料接觸的磨損。三體磨損是指在部件和土壤之間存在自由磨粒，其在觸土部件表面滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損[10.11]。在磨粒磨損中被磨損的一方稱為第一體，與第一體形成摩擦副的另一方稱為第二體，第三體則是指第一體與第二體之間的磨料，結(jié)合農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的工作環(huán)境，觸土機(jī)構(gòu)為第一體，觸土機(jī)構(gòu)所耕作的土壤為第二體，夾在觸土機(jī)構(gòu)和耕作土壤之間自由移動(dòng)的土壤、石塊、砂礫等是第三體，由此可知，在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的磨損中三體磨損更具普遍性。

2觸土機(jī)具表面仿生減阻抗磨的類型及研究進(jìn)展

近年來(lái)，通過(guò)仿生來(lái)達(dá)到農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的減阻抗磨的應(yīng)用越來(lái)越多，為解決農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的減阻抗磨問(wèn)題提供新的思路。仿生觸土機(jī)具的應(yīng)用不僅降低耕作阻力、減少耕作中觸土機(jī)具的磨損、加快耕作效率，還節(jié)約資源。如基于蜣螂體表微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿生犁壁，實(shí)現(xiàn)減黏脫附性能[12]，從而減小耕作阻力，提高耕作效率；通過(guò)學(xué)習(xí)鼴鼠爪趾尖結(jié)構(gòu)，開發(fā)了用于土壤翻耕和清理斷茬的仿生刀片[13]，與普通刀片相比，仿生刀片所需要的扭矩更低，這代表所需動(dòng)力更少，提高了資源利用率；通過(guò)模仿蚯蚓結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)行為設(shè)計(jì)的仿生開溝器[14]和鎮(zhèn)壓輥仿生減黏脫附結(jié)構(gòu)[15]，均可減少觸土部件表面土壤黏附，達(dá)到減小耕作阻力、提高耕作效率的目的；使用橡膠模擬蚯蚓肌肉的收縮和舒展，將其應(yīng)用到鎮(zhèn)壓輥上，減少土壤的黏附;基于黃鼠、小家鼠爪趾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿生深松鏟柄16和鏟柄破土刃口結(jié)構(gòu)[7可降低深松作業(yè)阻力，在減阻、減黏脫附等性能優(yōu)化方面取得了良好的應(yīng)用效果。以上案例按農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面仿生減阻抗磨類型主要可以分為構(gòu)型仿生、表面微結(jié)構(gòu)仿生、柔性仿生及耦合仿生。

2.1 構(gòu)型仿生

構(gòu)型仿生是通過(guò)模仿土壤生物的掘土器官的結(jié)構(gòu)、外形等，將其應(yīng)用于觸土機(jī)具中。現(xiàn)有研究普遍以掘土動(dòng)物用于挖掘土壤的爪趾作為研究對(duì)象，從爪趾上提取到輪廓曲線的結(jié)構(gòu)特征，然后將該輪廓曲線的結(jié)構(gòu)特征直接或者優(yōu)化后應(yīng)用于農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具。

張金波等將小家鼠挖掘爪趾縱刨面上的輪廓曲線，通過(guò)回歸分析方法得到爪趾縱刨面上輪廓曲線方程，將其應(yīng)用于深松鏟破土刃口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，再通過(guò)田間對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試仿生鏟和傳統(tǒng)鏟在相同試驗(yàn)條件下的耕作阻力平均值，進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)耕深為250mm 、前進(jìn)速度為 2.0km/h 時(shí)，仿生鏟的減阻率最佳，相比傳統(tǒng)鏟減少 39.6% 的耕作阻力。結(jié)果表明：這種仿生深松鏟與傳統(tǒng)深松鏟相比具有顯著的減阻效果，耕作阻力降低 8.5%～39.6% ，平均減阻19% 。這也表明將掘土動(dòng)物的掘土爪趾曲線應(yīng)用于深松鏟減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是可行的，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低耕作阻力、減少能源消耗。

紀(jì)冬冬[18通過(guò)對(duì)自然界中善于挖掘土壤的穴居動(dòng)物進(jìn)行觀察與研究，發(fā)現(xiàn)這些動(dòng)物的爪趾結(jié)構(gòu)特征能降低在挖掘土壤時(shí)的摩擦力及土壤間的黏附作用，受此啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種仿生變曲率深松鏟。利用LS—DYNA軟件在耕作深度為 220mm ！ 250mm 、280mm ，耕作速度為 4km/h.5km/h.6km/h 的試驗(yàn)條件下，與傳統(tǒng)深松鏟進(jìn)行耕作阻力對(duì)比仿真分析，發(fā)現(xiàn)仿生變曲率深松鏟減阻性能最好，其阻力最小為601N，再在同等試驗(yàn)條件下利用田間試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果表明：這種仿生深松鏟相比傳統(tǒng)深松鏟能降低挖掘土壤時(shí)的摩擦力及土壤間的黏附作用，從而降低耕作阻力 19.40%～29.38% ，且具有良好的切土效果，有效降低耕作阻力。肖茂華等[19測(cè)量20只東方蟠蛄前足爪趾的爪趾長(zhǎng)度、爪趾之間角度等信息，根據(jù)仿生設(shè)計(jì)中的比例法，結(jié)合旋耕刀片和東方蜷蛄的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、結(jié)構(gòu)異同性進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)IT245國(guó)標(biāo)旋耕刀的結(jié)構(gòu)特征，將東方蟠蛄的前足爪趾輪廓曲線依次排列于正切刃與回轉(zhuǎn)半徑末端邊緣，設(shè)計(jì)一款仿生旋耕刀。設(shè)定在旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為 150r/min 、 200r/min 、250r/min ，前進(jìn)速度為 0.5m/s ，耕作深度為 100mm 的試驗(yàn)條件下，分別運(yùn)用EDEM軟件、土槽進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，在同等條件下，仿生旋耕刀所受扭矩均比國(guó)際旋耕刀小，降低 4.89%～ 8.87% ;土槽試驗(yàn)的結(jié)果印證仿真分析的結(jié)果，在土槽試驗(yàn)中，相同條件下，仿生旋耕刀所受的平均扭矩比國(guó)際旋耕刀降低 3.49%～10.53% ，結(jié)果表明：通過(guò)將爪趾輪廓曲線應(yīng)用于正切刃與回轉(zhuǎn)半徑末端邊緣，仿生旋耕刀的設(shè)計(jì)更符合東方鱗蛄前足爪趾的挖土性能，能夠改善旋耕時(shí)旋耕刀與土壤的摩擦條件，降低耕作阻力，減少旋耕刀的磨損，節(jié)約資源，同時(shí)也提高農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的使用壽命。Zhang等[20通過(guò)立體鏡對(duì)蜣螂前腿末端的幾何結(jié)構(gòu)觀察和研究，用MATLAB軟件對(duì)蜣螂前腿末端的照片通過(guò)二值化后二維點(diǎn)云的邊緣檢測(cè)的方法，得到蜣螂前腿末端外輪廓曲線特征，設(shè)計(jì)一種仿生壓印齒輪，用超高分子聚乙烯（UHMEWPE）將其制造出來(lái)，并與傳統(tǒng)齒輪在含水率為 12.34% 、平均堆積密度為 1200kg/m³ 的土槽中，在前進(jìn)速度為1m/s ，壓印齒輪載重分別為空載、 200N.250N 300N，350N，400N 的條件下進(jìn)行牽引力對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：在同等載荷和土壤情況下，仿生齒輪相比傳統(tǒng)齒輪可以降低 9.5%～16.5% 的牽引力。

構(gòu)型仿生在農(nóng)業(yè)中的研究和應(yīng)用主要關(guān)注掘土動(dòng)物的爪趾結(jié)構(gòu)，這些動(dòng)物包括穿山甲、螻蛄和鼠類等。仔細(xì)觀察這些動(dòng)物的爪趾，發(fā)現(xiàn)它們大多呈現(xiàn)一定的弧度。構(gòu)型仿生在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具中的應(yīng)用，主要是通過(guò)提取掘土動(dòng)物爪趾的“弧度\"結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的外形輪廓或刀刃曲線，以降低耕作阻力并節(jié)約能耗。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)模仿掘土動(dòng)物爪趾的曲線輪廓，優(yōu)化農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的入土角度，從而減小耕作阻力，然而在減少土壤對(duì)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的磨損方面的幫助較小。

2.2表面微結(jié)構(gòu)仿生

表面微結(jié)構(gòu)仿生是將生活在土壤內(nèi)部或土壤表面動(dòng)物體表的微結(jié)構(gòu)移植到農(nóng)業(yè)觸土部件表面，以優(yōu)化土壤與農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具摩擦學(xué)條件，從而減少農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具磨損。這些微結(jié)構(gòu)大致可以分為剛毛型（蟠蛄等）凹坑型（蜣螂等）凸包型（螳螂頭部等）和波紋型（蚯蚓等）?，F(xiàn)今減阻抗磨的研究中主要以凹坑型、凸包型和溝槽型為主，剛毛型微結(jié)構(gòu)一方面較難加工且多半呈現(xiàn)較強(qiáng)的黏附性，另一方面細(xì)密的剛毛微結(jié)構(gòu)增大接觸面積的同時(shí)還增加表面的粗糙度，較大提高表面的黏附力和附著力。在4種微結(jié)構(gòu)中減阻抗磨特性最好的是波紋型，凹坑型次之，這2種類型的表面仿生如今應(yīng)用最為廣泛[21]。

農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具在干燥土壤地塊工作時(shí)，其摩擦副為干摩擦，長(zhǎng)時(shí)間的干摩擦?xí)蟠鬁p低機(jī)具的壽命，若摩擦副的表面存在微結(jié)構(gòu)，夾在觸土機(jī)構(gòu)和耕作土壤之間作為自由磨粒的石塊、砂礫等，會(huì)被表面微結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，從而延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的使用壽命；當(dāng)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具在水田、稻田等地塊工作時(shí)，其摩擦副為邊界潤(rùn)滑，微結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)水，當(dāng)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具被土壤擠壓的時(shí)候，存儲(chǔ)在微結(jié)構(gòu)中的水就會(huì)被擠出，實(shí)現(xiàn)二次潤(rùn)滑，從而減小摩擦，大大提高機(jī)具的工作壽命。

Li等[22]受到穿山甲鱗片的啟發(fā)，將穿山甲的單鱗片狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于馬鈴薯挖掘鏟，設(shè)計(jì)出一款適用于黏土地區(qū)的仿生凸包型的馬鈴薯挖掘鏟（圖2），在EDEM軟件上反復(fù)進(jìn)行仿真，從而得到最佳減阻仿生馬鈴薯挖掘鏟的結(jié)構(gòu)，采用數(shù)控機(jī)床加工出挖掘鏟底座，將具有最佳減阻性能的仿生結(jié)構(gòu)（ 135mm 、168mm，6.5mm 用3D打印的方法加工到挖掘鏟底座上，再與普通平面鏟進(jìn)行土槽對(duì)比試驗(yàn)和田間對(duì)比試驗(yàn)。在土壤壓實(shí)度指數(shù)為 38±5 psi、土壤含水率為27.5%±2.5% 、耕作深度為 20±2cm 、耕作速度為0.84m/s 的條件下進(jìn)行土槽試驗(yàn)，在土壤壓實(shí)度指數(shù)為 86±5psi. 土壤含水率為 55%±5% 、耕作深度為20±2cm 、耕作速度為 1.8m/s 的條件下進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：該仿生馬鈴薯挖掘鏟在土槽試驗(yàn)中減阻率達(dá)到 22.26% ，在田間試驗(yàn)中減阻率達(dá)到14.19% 。這一數(shù)據(jù)充分證明，這種穿山甲鱗片結(jié)構(gòu)的仿生馬鈴薯挖掘鏟設(shè)計(jì)是可行的，能有效降低農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具與土壤之間的耕作阻力。凸包型仿生微結(jié)構(gòu)能夠改善農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具與土壤的摩擦條件，達(dá)到減小摩擦、降低磨損、節(jié)約資源的目的。

圖2仿生馬鈴薯挖掘鏟（凸包型） Fig.2 Biomimetic potato digging shovel （convex hull）

此外，Zhang等[23]對(duì)鯊魚鱗片和荷葉的微凸結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有抗粘連和降低阻力的仿生凸包型起壟鏟。有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證李建橋等[12]觀察蜣螂等掘土動(dòng)物的減黏減阻和脫附效應(yīng)這一研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿生非光滑犁壁相比傳統(tǒng)犁壁具有減阻、脫附的效果，其受蜣螂體表外骨骼上的凹坑結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在傳統(tǒng)犁的表面制造具有一定排列規(guī)律的凹坑，當(dāng)耕深為 150mm 、耕寬為 180mm 、耕作速度為 0.7～ 0.83m/s 時(shí)，在統(tǒng)一拖拉機(jī)牽引下對(duì)仿生犁和傳統(tǒng)犁進(jìn)行水田田間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：與普通光滑犁壁相比，仿生非光滑（凹坑型）犁壁的減阻率提高 7.88%～ 13.46% ，翻垡好、碎土率高，仿生非光滑犁壁通過(guò)在普通犁壁表面規(guī)律地分布具有特殊幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元體，使運(yùn)動(dòng)的土壤前緣改變運(yùn)動(dòng)方向，從而減少切向黏附力，產(chǎn)生法向分力，形成微振動(dòng)，并使黏附界面水膜呈不連續(xù)分布。這種設(shè)計(jì)較好地解決觸土機(jī)械工作部件的王壤黏附問(wèn)題，并能夠顯著降低水田犁耕過(guò)程中的耕作阻力。而且凹坑型的仿生微結(jié)構(gòu)在水潤(rùn)滑狀態(tài)下，凹坑具有存儲(chǔ)水的功能，在耕作時(shí)能夠提供二次潤(rùn)滑，改善耕作面與土壤的摩擦條件，達(dá)到減小摩擦力的目的，延長(zhǎng)犁的使用壽命。

Massah等[24]受到鼠婦背部層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，將鼠婦體表的層狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于耕作刀片上，分別制得不連續(xù)仿生耕作刀片和連續(xù)仿生耕作刀片，再通過(guò)與無(wú)仿生的耕作刀片在干濕土壤中進(jìn)行土槽對(duì)比試驗(yàn)，其中濕土的含水率為 34.3% ，耕作速度分別為 0.01m/s 、 ，最小耕作深度為 150mm ，結(jié)果表明：仿生耕作刀片的耕作阻力比無(wú)仿生耕作刀片的耕作阻力低，其中連續(xù)仿生耕作刀片減阻性能最佳，尤其在濕潤(rùn)的土壤中，在耕作速度為 0.02m/s 和0.04m/s 時(shí)，耕作能耗分別降低 66% 和 83% 。此外，還發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高耕作速度可以降低耕作刀片的切削耗能。邱兆美等[25]通過(guò)對(duì)蚯蚓在土壤中穿行過(guò)程的研究，結(jié)合蚯蚓體表的波紋幾何非光滑表面9，發(fā)現(xiàn)蚯蚓在土壤中穿行時(shí)，其身體上的波紋非光滑表面與土壤實(shí)際的接觸面積小于光滑表面與土壤接觸的實(shí)際面積，然后設(shè)計(jì)兩種波紋型深松鏟，一種橫向波紋，另一種縱向波紋，并且對(duì)兩種波紋型深松鏟進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：橫向波紋的接觸面減阻抗磨效果更好。仿生橫向波紋型深松鏟更符合蚯蚓波紋形碎土特性以及減黏減阻特性，傳統(tǒng)深松鏟工作時(shí)，土壤與深松鏟接觸面之間的摩擦多為滑動(dòng)摩擦，而當(dāng)使用橫向波紋型深松鏟時(shí)，深松鏟上的波紋狀結(jié)構(gòu)將土壤和深松鏟接觸面之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少了土壤與觸土曲面之間的接觸時(shí)間和接觸面積，以達(dá)到減阻的效果。所以當(dāng)波紋形結(jié)構(gòu)方向垂直于切土方向時(shí)所達(dá)到的減阻抗磨效果要優(yōu)于平行切土方向的波紋結(jié)構(gòu)。

表面仿生微結(jié)構(gòu)的仿生樣本繁多，即使是同一個(gè)樣本下，僅需調(diào)整其中一條參數(shù)，如排列方式、單個(gè)微結(jié)構(gòu)大小等，都能得到不同的試驗(yàn)結(jié)論，因此，在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具減阻抗磨的應(yīng)用中，表面仿生微結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，且最常見于犁、鏟、開溝器、旋耕刀片等農(nóng)業(yè)觸土器具上。目前，這類農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面的仿生研究主要集中于主工作面上，例如鏟面、犁鏵、犁壁等，相比之下，在非主工作面的研究較少，例如深松鏟鏟柱、旋耕刀刀身等。

表面微結(jié)構(gòu)仿生在農(nóng)業(yè)中的研究和應(yīng)用主要是將動(dòng)物體表的微結(jié)構(gòu)移植到農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具觸土表面，以優(yōu)化土壤與農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的摩擦學(xué)性質(zhì)，達(dá)到減小磨損的目的，但對(duì)于減少土壤對(duì)機(jī)具的耕作阻力作用不佳。然而構(gòu)型仿生主要目的是降低耕作阻力，因此，在后續(xù)的研究中可以將兩者結(jié)合到一起，以進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使之達(dá)到既能減小農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的耕作阻力，又能增加其耐磨性能，延長(zhǎng)使用時(shí)間。

2.3 柔性仿生

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，工具的應(yīng)用是不可或缺的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演變，農(nóng)具也在不斷發(fā)展，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，各種仿生工具隨處可見，但觸土機(jī)具大多數(shù)都是一些“硬\"仿生的應(yīng)用，柔性仿生的應(yīng)用較少。大部分觸土機(jī)具的柔性仿生都應(yīng)用在鎮(zhèn)壓輥上。

在鎮(zhèn)壓輥上，柔性仿生是通過(guò)柔性仿生材料自身的扭曲變形、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得與其接觸或者附著的土壤因失去黏附力而落下，從而達(dá)到脫附、減阻的目的。Ren等[26采用田鼠毛和野兔毛等動(dòng)物體表與45鋼做土壤黏附力的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，田鼠毛和野兔毛的附著力較小，柔性材料具有一定的柔韌性，對(duì)降低土壤的附著力有著很好的作用。綜上，柔性仿生在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具中的應(yīng)用具有很大的潛力，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低土壤附著力等具有重要意義。

鎮(zhèn)壓輥是在農(nóng)業(yè)耕種過(guò)程中常見的一種觸土機(jī)具，主要用于壓實(shí)播種作業(yè)后的土壤。播種后適當(dāng)?shù)逆?zhèn)壓是非常有必要的，不僅能提高出苗率，還能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[27]?；?Ren^[28] 觀察到的典型掘土動(dòng)物蚯蚓的體表形貌屬于非光滑波紋形，其主要特征是它的身體由許多體節(jié)構(gòu)成，蠕動(dòng)過(guò)程中受到土壤壓力，在縱向肌肉收縮力的作用下，體節(jié)發(fā)生扭曲變形、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)，使與其粘結(jié)的土壤被脫離。賈洪雷等[15]采用橡膠的彈性來(lái)模仿蚯蚓縱向肌肉收縮，設(shè)計(jì)一款仿生鎮(zhèn)壓輥，再通過(guò)土槽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：該仿生鎮(zhèn)壓輥黏附土壤量平均值為31.2g ，滑移率為 3.89% ，分別比沒有減黏、防滑結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)壓輥降低 60.1% 和 54.3% 。采用橡膠來(lái)模仿蚯蚓身體柔性設(shè)計(jì)出來(lái)的鎮(zhèn)壓輥，巧妙地將橡膠與鎮(zhèn)壓輥相結(jié)合，相比剛性材料，土壤不易在其表面附著，可以有效地減少鎮(zhèn)壓輥黏附的土壤量并降低滑移率，從而達(dá)到減阻、減黏的目的。張清珠29根據(jù)臭蜣螂的腹側(cè)面的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)9種仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)的鎮(zhèn)壓輥，9種仿生肋條型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥減黏率最高為 41.20% ，減阻率為39.40% 。柔性仿生鎮(zhèn)壓錕的減黏、減阻效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬質(zhì)的鎮(zhèn)壓錕。

柔性仿生在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具上的應(yīng)用并不多，主要原因：首先，農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的工作環(huán)境較為惡劣，土壤中常常夾雜碎石、植物根莖，甚至還有藥瓶、地膜、農(nóng)機(jī)上脫落的金屬零件等農(nóng)業(yè)廢棄物，在這種情況下，如果使用柔性材料，將會(huì)大大增加農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的磨損。其次，現(xiàn)有的柔性材料往往硬度較低，如橡膠、聚丙乙烯、聚乙烯等，即使存在如鎳鈦合金等高硬度、高韌性的金屬，但就其價(jià)格而言，用于農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具并不經(jīng)濟(jì)。因此，柔性仿生在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具上的應(yīng)用還需要進(jìn)一步探索和研究。

2.4耦合仿生

隨著農(nóng)業(yè)仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的仿生已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，因此，耦合仿生應(yīng)運(yùn)而生。耦合仿生結(jié)合構(gòu)型仿生、表面微結(jié)構(gòu)仿生、柔性仿生、氣壓深松、電滲等多種技術(shù)，以達(dá)到更高效的減阻抗磨應(yīng)用。

生物作為一個(gè)有機(jī)整體，具有高度的自適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和控制能力。掘土動(dòng)物之所以能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的脫附減阻功能，正是這些因素相互作用的結(jié)果。不同的生物在不同的生活環(huán)境中，不僅其脫附減阻方式的調(diào)控程度會(huì)有所不同，而且脫附減阻的對(duì)象（土壤）也會(huì)存在差異，這些都是仿生研究的天然藍(lán)本。對(duì)于仿生脫附減阻，人們可以獨(dú)立模仿生物脫附的某一方面或某一因素，也可以同時(shí)模擬生物脫附的多個(gè)方面或多個(gè)因素，這就是耦合仿生的特點(diǎn)，通過(guò)綜合運(yùn)用不同的仿生技術(shù)，耦合仿生旨在實(shí)現(xiàn)更高效、更實(shí)用的農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具減阻、抗磨功能。

王立冬[30]將狗獾爪趾特征曲線和穿山甲鱗片表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行耦合，得到6種不同型號(hào)的雙耦合仿生減阻深松鏟，通過(guò)EDEM仿真受力分析得到4種減阻效果較好的雙耦合仿生減阻深松鏟，再在耕深為30cm 、 50cm ，耕作速度為 3.6km/h，5.2km/h 6.2km/h 的試驗(yàn)條件下，通過(guò)田間試驗(yàn)與國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行耕作阻力對(duì)比，仿生深松鏟的平均耕作阻力都要比國(guó)標(biāo)深松鏟減少 6.37%～27.39% ，其中F5-40型雙耦合仿生減阻深松鏟減阻效果最佳，在 30cm 和35cm 耕深下平均減阻率分別為 17.42%.27.24% 研究表明：?jiǎn)我坏姆律钏社P的減阻效果沒有耦合仿生的減阻效果好。

姜嘉胤等[31]對(duì)鼴鼠爪趾趾尖、趾廓進(jìn)行掃描和特征選擇，將起主要入土作用的第三趾的趾尖和趾廓利用MATLAB進(jìn)行特征擬合，得到3種仿生鏟：趾尖仿生鏟（表面微結(jié)構(gòu)仿生）趾廓仿生鏟（構(gòu)型仿生）和復(fù)合仿生鏟，然后在EDEM軟件中采用Ptyondy等[2提出的Hertz—Mindinwithbonding模型，在耕深為10cm 和 8cm ，驅(qū)動(dòng)臂轉(zhuǎn)速為 180^°/s.270^°/s.360^°/s 的耕作條件下進(jìn)行離散元仿真，趾廓仿生鏟的平均扭矩減少 34.06%～39.29% ，平均能耗減小 29.02%～ 39.29% ；趾尖仿生鏟平均扭矩減少 1.72%～5.04% 平均能耗減少 1.58%～4.84% ;而復(fù)合仿生鏟的平均扭矩減小比例和功耗減小比例最高，分別為 36.63%～ 42.06%.30.84%～38.15% 。研究表明：趾尖和趾廓的減阻效果可以疊加，復(fù)合后的仿生特征有更好的減阻效果。Wang等[33通過(guò)研究蜣螂頭部的凸起結(jié)構(gòu)和穿山甲背鱗的凸出結(jié)構(gòu)，將兩者在圓盤開溝器上進(jìn)行環(huán)狀交替耦合設(shè)計(jì)9種不同排列的仿生耦合圓盤開溝器，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)9種仿生耦合圓盤開溝器和普通平板開溝器在耕作速度分別為 0.6m/s.1.0m/s 1.4m/s ，耕作深度為 70mm 的試驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比仿真分析，其中仿生耦合圓盤開溝器DISC3的耕作阻力最小，為 260.2N ，反觀普通平板開溝器DISC10的耕作阻力為476.7N，相比之下仿生耦合圓盤開溝器減小約 45.42% 的耕作阻力，結(jié)果表明：仿生耦合圓盤開溝器的耕作阻力明顯小于普通平板開溝器。仿生耦合元件在圓盤上的適當(dāng)排列是仿生效果的重要控制因素。如果排列的單元數(shù)太少，大部分土壤與圓盤接觸，有限的凸度阻礙土壤運(yùn)動(dòng)，增加犁溝阻力。如果排列的單元數(shù)過(guò)多，則水分張力幾乎不變，接觸界面的水膜更容易連續(xù)，不利于降低耕作阻力[34]。

通過(guò)結(jié)合構(gòu)型仿生的爪趾輪廓曲線，提高農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具入土效率，同時(shí)結(jié)合表面微結(jié)構(gòu)仿生，還能降低耕作阻力、減少機(jī)具磨損。耦合仿生不應(yīng)只限于構(gòu)型仿生、表面微結(jié)構(gòu)仿生、柔性仿生相擬合，還可以與氣壓深松、電滲等技術(shù)相結(jié)合。

趙永來(lái)等35基于丹麥某公司研制的深松機(jī)，通過(guò)分析海豚胸鰭、背鰭幾何結(jié)構(gòu)特征，將海豚流線型鰭結(jié)構(gòu)特征曲線應(yīng)用在深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，再將仿生海豚深松鏟與氣壓式深松技術(shù)相耦合，分析高壓氣體與仿生相互耦合機(jī)理，為耦合式仿生深松鏟的研制及推廣提供科學(xué)依據(jù)。Ren等[36]受到蚯蚓皮膚上的生物電行為啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)蚯蚓在接觸土壤時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)動(dòng)作電位。當(dāng)蚯蚓在土壤中移動(dòng)時(shí)，其身體通過(guò)交替收縮形成電勢(shì)差，導(dǎo)致體表水膜厚度的變化。通過(guò)巧妙地結(jié)合表面微結(jié)構(gòu)仿生中的凸包形結(jié)構(gòu)和表面電滲，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有凸包結(jié)構(gòu)與電滲相耦合的仿生電滲推土板。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，凸包充當(dāng)正極，其直徑為30mm ，高度為 2mm ，而推土板的其他表面則作為負(fù)極，負(fù)極與正極面積比為 1：9 。試驗(yàn)時(shí)采用含水率為23.5% 的黃黏土，在裝載機(jī)工作時(shí)同時(shí)在推土板上施加 12V 的電滲電壓和0.12A的電流，持續(xù) 30s ，在未使用耦合仿生電滲技術(shù)時(shí)，推土板表面土壤黏附的面積約為 60% ，使用耦合仿生電滲技術(shù)后，推土板上土壤附著面積大大下降，約為 10% ，該設(shè)計(jì)有效降低了推土鏟表面土壤的黏附，結(jié)果表明：仿生電滲技術(shù)同樣能夠成功地減少土壤黏附，從而減阻抗磨。

在面對(duì)復(fù)雜且惡劣的耕作環(huán)境時(shí)，耦合仿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面減阻抗磨方面展現(xiàn)出極大的潛力。這種創(chuàng)新的耦合仿生方法必將成為農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面減阻抗磨研究的核心關(guān)注點(diǎn)。隨著種植條件的下限不斷刷新，耦合仿生的引入為提高農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的性能和耐久性提供全新的可能性。這一研究方向的推進(jìn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更可靠、高效的工具，以更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的耕作環(huán)境，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

3 討論

梳理和分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，對(duì)4種仿生類型從仿生部位、減阻抗磨原理、加工形式（材料）、優(yōu)點(diǎn)以及存在問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，如表1所示。

表1觸土機(jī)具仿生類型對(duì)比 Tab.1 Comparison of bionic types of earth-touching implements

由表1可以看出，4種仿生減阻抗磨技術(shù)在農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具上的應(yīng)用，均可起到降低耕作磨損、耕作阻力的作用，從而達(dá)到延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的使用壽命、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率等目的。通過(guò)構(gòu)型仿生、表面微結(jié)構(gòu)仿生以及柔性仿生的對(duì)比分析可知，在后續(xù)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具減阻抗磨的研究中單一技術(shù)的應(yīng)用已不能滿足需求，應(yīng)偏向于多種減阻抗磨方法的耦合應(yīng)用。

目前，構(gòu)型仿生種最容易出現(xiàn)爭(zhēng)議的部分是掘土動(dòng)物的爪趾曲線的提取部分，有的掘土動(dòng)物的爪趾比較大且厚，例如穿山甲、食蟻獸等，這導(dǎo)致其內(nèi)、外輪廓曲線的人土角度存在很大差異，對(duì)此選用哪一條輪廓曲線，以掘土動(dòng)物的掘土方式和所應(yīng)用機(jī)具的掘土方式而定。例如，所應(yīng)用機(jī)具為旋耕刀時(shí)，由于其工作軌跡與穿山甲爪趾入土軌跡很相似，就可以考慮采用內(nèi)輪廓曲線來(lái)優(yōu)化旋耕刀；而犁、深松鏟等工作軌跡與穿山甲爪趾入王向后刨土的軌跡很相似，就可以考慮采用外輪廓曲線來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；在表面微結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，有些仿生對(duì)象的體表微結(jié)構(gòu)比較微小，如果直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具表面可能過(guò)于微小，此時(shí)可以充分利用仿生學(xué)中的等比例縮放法，將掘土動(dòng)物體表的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例放大；柔性仿生的最大問(wèn)題在于大多數(shù)柔性材料硬度較低，對(duì)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具惡劣的工作環(huán)境而言，重點(diǎn)在保證工作效率的同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命;耦合仿生是4種仿生減阻抗磨類型中效果最佳的，但其所運(yùn)用的仿生技術(shù)也是最多的，很多時(shí)候需要多學(xué)科相互配合，因此其研究應(yīng)用最難，但發(fā)展前景最好。

4結(jié)語(yǔ)

目前，大部分有關(guān)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具減阻抗磨的研究類型都比較單一，隨著農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，耕種地塊已經(jīng)有逐步向坡地、山地、丘陵等環(huán)境復(fù)雜地塊深入的趨勢(shì)，單一的仿生減阻抗磨已不能完全滿足現(xiàn)今高速發(fā)展的農(nóng)業(yè)需求。結(jié)合現(xiàn)有單一仿生類型研究方向、成果都比較多的現(xiàn)狀，在后續(xù)的研究中應(yīng)秉承優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，想獲得最佳的減阻抗磨性能，不應(yīng)該局限于不同減阻抗磨仿生類型的相互耦合，可以與其他的減阻抗磨技術(shù)相耦合，合理運(yùn)用不同類型的減阻抗磨技術(shù)，力求最大程度上將各種減磨抗阻技術(shù)利用到極致。此外，還應(yīng)該探討如何從優(yōu)化現(xiàn)有仿生設(shè)計(jì)、提高仿生機(jī)具的耐用性和效率、降低生產(chǎn)成本等方面出發(fā)，將這些技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1）在后續(xù)的研究中充分利用構(gòu)型仿生和表面微結(jié)構(gòu)仿生的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，將減阻和抗磨的設(shè)計(jì)一并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的設(shè)計(jì)中，提高其減阻抗磨性能，達(dá)到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率、降低能源消耗、助力可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展的目的。例如在柔性仿生設(shè)計(jì)中，可以與表面微結(jié)構(gòu)仿生相結(jié)合，從一定程度上減少柔性仿生設(shè)計(jì)不耐磨的問(wèn)題。

2）由于不同生物所處的生存環(huán)境各異，它們各自進(jìn)化出的減磨、減阻機(jī)制也適應(yīng)于特定的環(huán)境條件。在優(yōu)化現(xiàn)有的仿生設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該深入研究仿生對(duì)象的生活環(huán)境，并確保其與農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境相匹配。通過(guò)這種方式，可以提高農(nóng)業(yè)觸土機(jī)械的適用性，使其能夠更好地適應(yīng)各種耕作環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。

3）盡管目前已經(jīng)開發(fā)出多種減少農(nóng)業(yè)機(jī)械與土壤接觸時(shí)的磨損和阻力的技術(shù)，但這些方法仍然無(wú)法完全滿足耕作的需求。因此，可以考慮采用一種不限于單一仿生耦合的多重耦合策略，即將多種減阻抗磨技術(shù)相結(jié)合，例如將“構(gòu)型仿生\"與“氣壓深松\"相結(jié)合，或者將“表面微結(jié)構(gòu)仿生”與“電滲\"相結(jié)合。這種多重耦合的方法可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的減阻抗磨效果，從而為農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用提供更加高效和可靠的支持。

4）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和觸土機(jī)具性能的同時(shí)，應(yīng)關(guān)注到土壤過(guò)度開墾所帶來(lái)的土層破壞、土壤板結(jié)、鹽堿化、水土流失等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，從優(yōu)化仿生設(shè)計(jì)、仿生材料創(chuàng)新等角度出發(fā)，以減少農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞、降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響為目的，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5）對(duì)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的減阻抗磨研究，其本質(zhì)是延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)械的使用壽命，針對(duì)農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具使用者大多缺少機(jī)具的維護(hù)知識(shí)的現(xiàn)狀，可以通過(guò)優(yōu)化農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)等技術(shù)，從而降低農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具的維護(hù)成本，也是增加農(nóng)業(yè)觸土機(jī)具使用壽命的一種有效途徑。

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