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(jì)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(hào)：Q811；S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)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(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(guó)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(shí)這種條紋狀表面比光滑表面對(duì)水流的阻力小，能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國(guó)航天局蘭利研究所利用，并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，減阻效果達(dá)到了8%。

1.2 土壤動(dòng)物非光滑表面減粘降阻

20世紀(jì)80年代，我國(guó)結(jié)合原有的生物知識(shí)，開始研究土壤動(dòng)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(dòng)物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活動(dòng)，對(duì)它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動(dòng)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(jì)的仿生犁壁，比普通35號(hào)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(guó)學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了土壤對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)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(dòng)物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動(dòng)，且體表沒有泥土粘附，其動(dòng)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(gè)體表都有脫附減阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤動(dòng)物大多數(shù)時(shí)間都在土壤中活動(dòng)，其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu)，非常多樣化。在一種動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)態(tài)行為來達(dá)到脫附目的，同時(shí)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(dòng)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(dòng)物體表多具有柔性結(jié)構(gòu)，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)體表常發(fā)生形變，并由此產(chǎn)生體表電位。相對(duì)于活動(dòng)較為活躍的體表區(qū)域，相對(duì)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(duì)界面產(chǎn)生潤(rùn)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?cè)O(shè)計(jì)了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗，在實(shí)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(duì)仿生最早的理解。為研究土壤動(dòng)物挖土效率高的原因，科學(xué)家們對(duì)這些動(dòng)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(jì)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(huì)對(duì)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(rùn)滑及其仿生

在外界環(huán)境變化或受到刺激時(shí)，具有體表潤(rùn)滑功能的生物體（如蚯蚓、泥鰍等）體表會(huì)分泌粘液，在土壤和其表層皮膚之間形成潤(rùn)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(rùn)滑、電滲等特征，對(duì)土壤動(dòng)物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前，對(duì)土壤動(dòng)物表面減粘降阻的研究還處于試驗(yàn)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(dòng)物體內(nèi)含有的某些元素，能夠幫助它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中減粘脫土。土壤動(dòng)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(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物在粘濕的土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，水不會(huì)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(shí)，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(zhǎng)期以來，為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì)，國(guó)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(shí)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(jì)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(hào)：Q811；S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)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(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(guó)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(shí)這種條紋狀表面比光滑表面對(duì)水流的阻力小，能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國(guó)航天局蘭利研究所利用，并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，減阻效果達(dá)到了8%。

1.2 土壤動(dòng)物非光滑表面減粘降阻

20世紀(jì)80年代，我國(guó)結(jié)合原有的生物知識(shí)，開始研究土壤動(dòng)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(dòng)物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活動(dòng)，對(duì)它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動(dòng)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(jì)的仿生犁壁，比普通35號(hào)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(guó)學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了土壤對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)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(dòng)物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動(dòng)，且體表沒有泥土粘附，其動(dòng)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(gè)體表都有脫附減阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤動(dòng)物大多數(shù)時(shí)間都在土壤中活動(dòng)，其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu)，非常多樣化。在一種動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)態(tài)行為來達(dá)到脫附目的，同時(shí)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(dòng)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(dòng)物體表多具有柔性結(jié)構(gòu)，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)體表常發(fā)生形變，并由此產(chǎn)生體表電位。相對(duì)于活動(dòng)較為活躍的體表區(qū)域，相對(duì)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(duì)界面產(chǎn)生潤(rùn)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?cè)O(shè)計(jì)了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗，在實(shí)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(duì)仿生最早的理解。為研究土壤動(dòng)物挖土效率高的原因，科學(xué)家們對(duì)這些動(dòng)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(jì)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(huì)對(duì)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(rùn)滑及其仿生

在外界環(huán)境變化或受到刺激時(shí)，具有體表潤(rùn)滑功能的生物體（如蚯蚓、泥鰍等）體表會(huì)分泌粘液，在土壤和其表層皮膚之間形成潤(rùn)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(rùn)滑、電滲等特征，對(duì)土壤動(dòng)物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前，對(duì)土壤動(dòng)物表面減粘降阻的研究還處于試驗(yàn)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(dòng)物體內(nèi)含有的某些元素，能夠幫助它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中減粘脫土。土壤動(dòng)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(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物在粘濕的土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，水不會(huì)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(shí)，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(zhǎng)期以來，為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì)，國(guó)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(shí)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(jì)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(hào)：Q811；S220.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)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(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(guó)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(shí)這種條紋狀表面比光滑表面對(duì)水流的阻力小，能起到減阻效果。這一發(fā)現(xiàn)被美國(guó)航天局蘭利研究所利用，并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，減阻效果達(dá)到了8%。

1.2 土壤動(dòng)物非光滑表面減粘降阻

20世紀(jì)80年代，我國(guó)結(jié)合原有的生物知識(shí)，開始研究土壤動(dòng)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(dòng)物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活動(dòng)，對(duì)它們的脫土減粘性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。常見土壤動(dòng)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(jì)的仿生犁壁，比普通35號(hào)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(guó)學(xué)者錢定華從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了土壤對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)規(guī)律，并進(jìn)行了試驗(yàn)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(dòng)物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環(huán)境中順暢活動(dòng)，且體表沒有泥土粘附，其動(dòng)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(gè)體表都有脫附減阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤動(dòng)物大多數(shù)時(shí)間都在土壤中活動(dòng)，其體表直接與土壤進(jìn)行接觸。通過對(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物都有不同的體表組成結(jié)構(gòu)，非常多樣化。在一種動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)態(tài)行為來達(dá)到脫附目的，同時(shí)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(dòng)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(dòng)物體表多具有柔性結(jié)構(gòu)，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)體表常發(fā)生形變，并由此產(chǎn)生體表電位。相對(duì)于活動(dòng)較為活躍的體表區(qū)域，相對(duì)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(duì)界面產(chǎn)生潤(rùn)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?cè)O(shè)計(jì)了具有仿生電滲表面的推土板和模型鏟斗，在實(shí)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(duì)仿生最早的理解。為研究土壤動(dòng)物挖土效率高的原因，科學(xué)家們對(duì)這些動(dòng)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(jì)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(huì)對(duì)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(rùn)滑及其仿生

在外界環(huán)境變化或受到刺激時(shí)，具有體表潤(rùn)滑功能的生物體（如蚯蚓、泥鰍等）體表會(huì)分泌粘液，在土壤和其表層皮膚之間形成潤(rùn)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(rùn)滑、電滲等特征，對(duì)土壤動(dòng)物體表的減粘降阻具有多元藕合作用。目前，對(duì)土壤動(dòng)物表面減粘降阻的研究還處于試驗(yàn)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(dòng)物體內(nèi)含有的某些元素，能夠幫助它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中減粘脫土。土壤動(dòng)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(duì)土壤動(dòng)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(dòng)物在粘濕的土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，水不會(huì)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(shí)，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(zhǎng)期以來，為探索脫附減阻的規(guī)律和本質(zhì)，國(guó)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(shí)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。