農業機械領域的工程仿生研究概況與應用前景

王立新，高雅妍

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

農業機械領域的工程仿生研究概況與應用前景

王立新，高雅妍

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

工程仿生研究在農業機械領域有著較為廣泛的應用，基于昆蟲脫附減阻規律與食蟲植物捕食現象的研究逐步形成應用于農業生產領域的工程仿生技術。本文從仿生農業機械脫附減阻及致災農業昆蟲滑移捕集滑板仿生制備的研究現狀入手，主要分析了典型動植物非光滑表面形態結構對生理功能特性的表現規律與機理，闡述了工程仿生學在農業耕種機械及蟲害機械化捕集防治領域的應用研究概況，并分析了工程仿生領域潛在的研究方向與發展前景。

工程仿生；農業機械；脫附降阻；豬籠草葉籠滑移區；昆蟲滑移捕集滑板

農作物的耕種與蟲害防治是農業生產過程中兩個至關重要的環節。在農作物耕種過程中，農業耕種機械觸土部件與土壤接觸時產生的黏附力導致土壤在觸土部件表面黏附積留，明顯降低了農業機械作業效率、作業質量和使用壽命，增加能源消耗。目前，對于農業蟲害的防治主要采用噴施農藥的方法，在快速有效滅殺農業害蟲的同時也造成了毒素在農產品與生態環境的殘留與積淀，破壞生態系統的平衡并嚴重威脅人類的健康。災害蝗蟲及其他昆蟲的機械化滑移捕集治理技術克服了上述弊端，在昆蟲的防治過程中，需要仿生制備具有良好滑移功能的捕集滑板，用以提高對災害蝗蟲及其他昆蟲的捕集效率。國內外眾多學者采用工程仿生理論、技術與方法等對農業生產領域出現的問題進行了大量研究，并取得了眾多成果。

自然界的昆蟲及其他動物經過數以億萬年的生存競爭與進化，形成了優異的幾何體形結構、功能豐富的表面非光滑織構、巧妙的材料拓撲等高度適應環境的生理特性，使運動的平穩性、靈活性、能量利用高效性等方面明顯優于現代農業機械系統。蜣螂、螻蛄等土壤動物因體表具有凸包、凹坑、剛毛等特殊的非光滑結構而表現出對生存環境中潮濕土壤的不沾染特性，啟發了具有良好脫土性和耐磨性的犁壁、推土板、挖掘斗、仿生開溝器、仿生深松鏟柄、旋耕碎茬仿生刀片等的仿生設計與制備。田鼠、蚯蚓、穿山甲等柔性體表動物因其體表柔性，利用自身非光滑表面結構控制著與土壤的摩擦力大小，據此開展了仿生柔性鎮壓輥的研制，進而調整所壓實土壤的堅實度，改善作業質量。豬籠草葉籠滑移區因表面微小褶皺及微納米尺度的片狀蠟質層結構而對昆蟲附著系統表現出良好的滑移功能，已據此開展致災農業昆蟲滑移捕集滑板的仿生研制。以工程仿生學的視角，從動植物生理結構、功能特性所蘊含的物質、能量和信息3方面入手，對脫附降阻、耐磨、減摩等進行的研究，有利于揭示動植物表面形態結構對生理功能特性的表現規律與機理，有助于以仿生農業機械方式解決農作物耕種與蟲害防治過程中所面臨的問題，并能推動工程仿生理論及技術的發展。本文綜述了工程仿生在農業耕種機械及蟲害機械化捕集防治領域的應用研究概況，并分析了其在該領域潛在的研究方向與發展前景。

1 土壤動物蜣螂的減阻理論及其仿生應用

農作物耕作過程中，土壤是各類農業機械必定會接觸到的黏附介質，其黏性受地域、季節、含水量等多種因素的影響。地面機械觸土部件在與松軟濕潤土壤接觸時產生黏附現象，表現為觸土部件表面與土壤間形成黏附力及因該黏附力作用而導致的土壤在觸土部件上黏附積留[1]。該黏附現象往往會降低農業機具的作業性能并增加作業功耗——傳統犁壁、推土板用于克服土壤黏附力的能耗約占耕種過程總能耗的1/3。這不僅浪費能源、影響耕種效率，還加快觸土部件的磨損和使用壽命的縮短。如何克服上述缺點，是國內外學者致力研究和力圖解決的問題。目前減黏脫土的實現途徑主要有充氣、充液、表面改良、機械刮削等[2]，但由于黏附機理未得到明確闡釋，且存在制造成本高、噪聲大等問題，仍未得到大范圍實際應用。

1.1典型土壤動物蜣螂的減黏脫附機理

通常情況下認為物體表面越光滑，其黏附阻力越小，但觀察到處于黏濕環境中的非光滑表面減黏降阻效果更為明顯[3-4]。自然界中絕大多數動植物經過億萬年的進化，表現出能夠適應黏濕環境的優良減黏降阻和脫附現象。蝴蝶等昆蟲的翅面、海鷗等鳥類羽毛因其特殊的表面結構而具有優良的疏水減黏功能，荷葉等植物葉片具有優異的自潔功能。蜣螂、螻蛄、穿山甲等具有優良挖掘和脫土功能的典型土壤動物，因其體表特殊非光滑形態(如圖1所示)，使其生活在黏濕環境中運動自如而不粘土。研究表明，土壤動物具有優異的減黏脫土性能，主要是因其自身特殊的表面結構[5-6]。

圖1 典型土壤動物的非光滑形態Fig.1 Non-smooth form of typical soil animals

對具有較強挖掘能力的蜣螂體表進行掃描電鏡觀測，發現其體表具有奇特的非光滑結構，表現為頭部呈現凸起及前胸背板處呈現凹陷，雄性蜣螂表現得更為明顯[7](如圖2 a)和圖2 b)所示)。非光滑表面的存在增大了界面液膜與空隙液化學勢的不平衡而產生“楔開”壓力，能夠大大降低黏附力。凸包形表面減少了與土壤的接觸面積，凹陷形表面使體表和土壤之間形成空氣膜，降低了大氣負壓對土壤的作用。

進一步觀察發現在蜣螂身體的腹部以及口器周圍密布參差不齊的剛毛(如圖2c)所示)，構成了與泥土接觸的柔性界面。由于爪的支撐和胸節腹部的高度差，除了當蜣螂低頭推土時剛毛與之輕微接觸之外，其胸部腹板很少與土壤接觸。剛毛構成的柔性表面減小了黏附面積，并使體表與土壤界面之間存在一定的間隙，從而導致水膜不易形成；剛毛的抖動產生的速度及方向的變化使土壤中水分和空氣的流動增加潤滑和脫附作用。若蜣螂腿部、胸腹部表面和上唇基的剛毛缺損，在顯微鏡下則會發現蜣螂的脫附能力顯著下降[8]。此外，昆蟲體表上表皮具有疏水性的護蠟層、蠟質層，使蜣螂體表的憎水性進一步增加，這對其脫附減阻無疑是一個重要貢獻[5]。

圖2 蜣螂體表表面微觀結構Fig.2 Surface micro-structure of Dung beetle surface

1.2減黏降阻推土板仿生設計

在表面仿生改形設計方面，利用蜣螂減黏降阻的表面結構，結合推土板與土壤相互作用過程中的界面接觸狀態、接觸阻力與土壤特性等理論，可以確定仿生推土板表面非光滑結構的形狀、數量、幾何尺寸及分布。球面與其他形狀表面相比最不易產生黏附現象，非光滑凸起數量太多或太少都不能達到脫附減阻效果，方向和次序采取隨機分布不易使其產生擺動及附加阻力[9]。利用蜣螂表面減黏結構及物理性質，可增強推土板表面的憎水性，降低推土板與土壤的黏附力[10-13]。

根據蜣螂優良的表面脫附減阻結構，仿生設計制備具有較好脫附減阻性能推土板(見圖3)的研究已經開展。利用激光重熔加工技術，在不銹鋼推土板表面仿生制備了蜣螂表面結構[14]，獲得了較為理想的微觀結構變化和常規的硬度分布。拉伸試驗表明，以這樣的方式獲得的仿生樣板的強度和韌性也都明顯改進[15]。仿生非光滑推土板的推土阻力隨深度、角度、速度的增大而增大，與普通曲面推土板相比可降低阻力18.09%，具有顯著的降阻作用[16]。測試試驗結束后，非光滑表面凸起結構未有明顯磨損，表明其具有良好的脫土性能和耐磨性能。以UHMW-PE超高分子量聚乙烯為材料制成的推土板已被證實具備減小土壤黏附功能，試驗表明該推土板可使土壤阻力降低10%～30%，黏附力降低10%～60%，并且土壤的濕度越大，減黏降阻效果越明顯[17]。

圖3 仿生推土板Fig.3 Bionic bulldozing plate

通過DEM模擬離散單元法分別對仿生推土板和光滑推土板建立非線性力學模型，模擬土壤顆粒之間接觸和土塊破碎過程，結果表明仿生推土板具有更強、效率更高的土塊破碎能力[18]。仿生加工具有非光滑表面結構的觸土機械部件在一定程度上可降低黏附阻力，但其效果受非光滑幾何單元的幾何尺寸、排布方式及數量密度的影響，若組合不當反而會增加推土阻力[19]。因此，對其非光滑表面進行規范化設計[20]，得到具有最優降阻功能的非光滑表面結構設計參數成為目前研究的一個重要方面。

2 豬籠草葉籠滑移區減附機理及其仿生應用

對于蛾類、蝗蟲等致災農業昆蟲的防治是一項保障農業生產順利進行的關鍵措施。目前普遍采用噴施化學農藥來實現對致災農業害蟲的治理，但其在快速有效滅殺農業害蟲的同時也造成了毒素在農產品與生態環境的殘留與積淀，嚴重破壞了生態系統的平衡并威脅人類的健康。在此背景下，基于致災農業昆蟲對光源的趨向特性及豬籠草葉籠滑移捕食昆蟲行為的致災農業昆蟲滑移捕集技術已被提出。

2.1蝗蟲的趨光特性與光電誘導捕集技術

絕大多數致災農業昆蟲依靠其視覺器官(復眼或單眼)中的感光細胞對不同波譜范圍的光刺激作出反應，并表現出對刺激光源的趨向特性。趨光特性是具有復眼結構夜行昆蟲經長期自然進化形成的對環境高度適應的重要生理特征，所謂“飛蛾撲火”正是人類長期對蛾類昆蟲趨光行為的形象總結。對于昆蟲趨光特性的理論闡述，目前較為普遍接受的是光干擾假說和光定向假說。光干擾假說認為特定波譜的光源干擾了昆蟲的正常飛行，使昆蟲無法返回暗區而導致趨光行為的產生；光定向假說則認為夜行昆蟲把光源當作定向導航的參照物，并以螺旋式軌跡飛行趨近刺激光源[21]。

對于蝗蟲的趨光特性，鮮有明確的理論闡釋，但對于蝗蟲趨光行為已有普遍研究。2002年7月先后在赤峰市、多倫縣、張家口等北方城市，出現的亞洲小車蝗遠距離遷飛現象表明災害蝗蟲對光源具有明顯的趨向行為，遷飛時間多集中在夜間，并且城市燈光越強烈趨向現象越明顯。試驗研究表明，蝗蟲的趨光行為主要受到光頻譜與光強度的影響，特定強度的藍紫LED燈組合光源，可使蝗蟲表現出較為明顯的趨光反應[22]；特定頻率的頻閃光源也會明顯增強蝗蟲的趨光響應[23]，耦合振動、干擾等機械刺激的可見光源不僅能夠提高蝗蟲的運動敏感性，還會增強蝗蟲對刺激光源的趨向運動速度[24]。

圖4 光電誘導災害蝗蟲滑移捕集機整體機構Fig.4 General structure of photoelectric inducing-trapping plague locust machine

1—捕集機箱體; 2—滑移捕集滑板; 3—誘導光源; 4—防護罩; 5—支撐柱; 6—集蝗箱; 7—防蝗蟲逃逸機構; 8—卸蝗板

目前，對于蝗蟲趨光特性鮮有明確的理論報道，但災害蝗蟲對光源的趨向行為已是不爭的事實，基于災害蝗蟲趨光行為的光電誘導滑移捕集技術已被提出。該技術設置可見光源、紅外光源、紫外光源等作為災害蝗蟲運動趨向控制的誘導因素，設置捕集滑板及附屬機構使誘集蝗蟲滑移至蝗蟲收集裝置(如圖4所示)，從而實現對災害蝗蟲的無害化捕集治理[25]。但被誘導光源引誘的蝗蟲，因具有堅硬末端的爪、柔軟表皮的爪墊等特殊附著系統而能夠與絕大多數附著物表面形成機械鎖合與柔性接觸雙重作用，實現穩固附著或自如行走[26]。因此，有必要研制具有特殊表面結構的捕集滑板，使蝗蟲附著系統形成的機械鎖合與柔性接觸雙重作用同時降到最低，以提高災害蝗蟲光電誘導滑移捕集治理效率。

2.2災害蝗蟲滑移捕集滑板仿生原型

食蟲性植物豬籠草依靠位于葉片末端的葉籠，實現對昆蟲的引誘與捕集，并能將其消化成自身生長需要的氮、磷等元素，受到學者的廣泛研究[27-28]。一般說來，豬籠草的葉籠由蓋子、口緣、滑移區和消化區等4部分組成[29]，如圖5所示。其中，滑移區表面具有蠟質晶體層和月骨體，能使絕大多數昆蟲的附著系統喪失正常的附著功能，促使被引誘的昆蟲滑移至葉籠底部[30]。豬籠草葉籠滑移區的這種特點為蝗蟲滑移捕集滑板的仿生研制提供了靈感[31]。

圖5 豬籠草葉籠及結構示意圖Fig.5 Structures of Nepenthes pitchers

對豬籠草葉籠滑移區表面形貌的觀察發現，滑移區表面覆蓋著兩端向下彎曲的月骨體與形狀不規則、排列致密、雜亂無序、厚度約為3 μm的蠟質晶體層，蠟質晶體層又可分為形貌、結構均不相同的頂層與底層(如圖6所示)。RIEDEL對滑移區形貌結構進行了比較研究，指出滑移區呈現幾乎完全相同的微形貌，均由月骨體和蠟質層構成；不同種屬豬籠草之間，以及同種屬豬籠草滑移區的不同部分在蠟質晶體形貌方面沒有明顯差別[32]。對豬籠草葉籠滑移區表面物理性質的研究有助于間接或直接揭示其對昆蟲附著系統的減附影響規律，因而對滑移區蠟質晶體在化學組成、物理性質等方面已有研究。研究表明豬籠草葉籠滑移區表面具有疏水性(接觸角約為165°)，微納壓痕揭示了滑移區頂層蠟質晶體具有相對較低的硬度[33]。目前，對于豬籠草葉籠滑移區表面結構與物理性質雖已有大量研究，但仍需研究不同種屬、不同生長階段的豬籠草葉籠滑移區的月骨體和蠟質晶體層的形貌與結構參數，以及測試分析不同種屬豬籠草葉籠滑移區的硬度、接觸角等物理特性，以便為基于葉籠滑移區的蝗蟲滑移捕集滑板仿生研制提供更加綜合的參數信息。

圖6 豬籠草葉籠滑移區表面微結構 Fig.6 Surface micro-structure of Nepenthes pitchers

豬籠草葉籠對昆蟲的引誘捕獲規律，以及昆蟲在葉籠表面的滑移行為表現規律成為近幾年的研究熱點。葉籠滑移區對昆蟲的捕獲及防止獵物逃脫是通過表面結構的蠟質晶體、月骨體對昆蟲附著系統正常附著功能的限制來實現的。對昆蟲在豬籠草葉籠滑移區滑移行為的研究結果表明，由于具有各向異性結構的蠟質晶體層及月骨體的存在，具有良好附著能力的蒼蠅不能夠在滑移區表面行走，更不能起飛?；茀^表面的特殊結構使蒼蠅附著系統中爪的機械鎖合作用和爪墊的黏附作用同時降到最低，有效阻止了蒼蠅的正常附著[34]。GORB研究發現滑移區頂層蠟質晶體易造成對爪墊的污染，導致黏附作用的急劇下降；底層蠟質晶體能夠減少爪墊的接觸面積，進一步降低黏附作用[33]。上述研究僅考慮了蠟質晶體對爪墊的影響，忽略了滑移區的月骨體、昆蟲附著系統的爪，屬于單重一元結構相互影響的研究，其結果對于全面揭示滑移區對昆蟲附著系統的影響規律具有局限性。SCHOLZ等觀察了竹節蟲、螞蟻在豬籠草葉籠滑移區的爬行行為并測試了摩擦力，指出滑移區表面粗糙度是昆蟲附著功能降低的主因[35]。SCHOLZ的研究結論并不認同GORB提出的污染假說，其中的原因有待進一步研究揭示。WANG等測試了蝗蟲在4種豬籠草葉籠滑移區的摩擦力，指出滑移區表面結構參數差異是造成蝗蟲附著功能降低程度不同的主因[36-37]。豬籠草葉籠滑移區對昆蟲附著系統的影響機理是獲得滑移區工程仿生學應用的關鍵理論基礎?；茀^對昆蟲附著系統的影響規律的研究雖已開展，但未形成明確、普適的結論，仍需要繼續開展大量的研究工作，尤其是在同時考慮滑移區的蠟質晶體、月骨體和昆蟲附著系統的爪、爪墊雙重二元結構相互影響的前提下，綜合揭示滑移區對昆蟲附著系統的減附機理。

若要獲取基于豬籠草葉籠滑移區仿生研制蝗蟲滑移捕集滑板的良好效果，需在工程應用背景下，依據仿生工程學原理，綜合研究葉籠滑移區的結構參數和物理性質對昆蟲附著系統的影響規律、滑移功能差異量化表征等，闡明雙重二元結構前提下的減附機理，并據此有效構建致災農業昆蟲滑移捕集滑板表面微結構。

2.3災害蝗蟲滑移捕集滑板的仿生設計與制備

基于葉籠滑移區表面形貌結構參數與反附著機理的研究，初步仿生設計并制備了蝗蟲滑移捕集滑板(如圖7所示)。具體以“基板+黏合劑+石墨”為制板思路，采用潤滑性、滑移性均較好的鱗片狀可膨化石墨為滑移區蠟質晶體的替代物，利用高壓靜電吸附法，將石墨吸附在基板上。針對仿生制備的捕集滑板，采用拉壓式測微力系統，進行了滑移功能測試試驗。結果表明，捕集滑板具有與葉籠滑移區相似的滑移功能，蝗蟲在其表面的滑移率最高可達到82.4%[38-39]。

圖7 致災農業昆蟲滑移捕集滑板仿生設計與制備 Fig.7 Biomimetic design and manufacture of agricultural pests slippery trapping plate

采用上述方法仿生制備的捕集滑板雖對蝗蟲附著系統表現出較好的滑移功能，但受到石墨與基板結合強度不高的影響，易造成石墨的脫落，導致該捕集滑板不宜長時間使用，更不具備重復實用性。若使捕集滑板對蝗蟲表現出良好的滑移功能，需在已有研究基礎上，以滑移區對昆蟲附著系統的影響機理為理論指導，從仿生工程學的角度出發，兼顧結構仿生和功能仿生，利用脫蠟鑄造技術(兩步成型法)或微納電火花加工技術仿生制備具有與滑移區表面微結構高度類似的基板，提高石墨與基板的結合強度。

3 工程仿生在其他領域的應用

隨著人類對油氣需求量的增大、勘探深度以及地層復雜程度的增加，硬巖、強研磨性地層頻繁出現，目前鉆井設備已經很難滿足需求。雖然常規的聚晶金剛石復合片PDC鉆頭適合對低研磨地層的鉆進，孕鑲金剛石鉆頭適合硬的地層鉆進，可遇到非常堅硬且研磨性強的地層，上述鉆頭仍會出現諸如掉齒、耐磨性差、鉆頭壽命短等問題。有關學者從仿生工程學的角度對如何提高金剛石鉆頭鉆進效率和鉆頭壽命2個重要方面進行了大量研究。對蜣螂進行掃描電鏡觀察分析得知，蜣螂體表反復經受刺激出現的非光滑凸起、凹坑、溝槽等非光滑表面形態使其具有防黏、降阻和耐磨的特性。蜣螂體表的這種特性已經應用到孕鑲金剛石鉆頭底唇基面的仿生設計中，實驗證明仿生鉆頭的鉆速可提高44%，壽命可增加74%，耐磨特性提高93%，鉆進效率提高109%[40-41]。

具有較好耐磨特性的剎車盤表面微形貌結構仿生設計研究正處于起步階段。表面結構設計加工成宏觀溝槽幾何形貌的剎車盤，其摩擦系數及耐磨特性明顯高于普通剎車盤。受帶溝槽剎車盤[42]的啟發，從仿生學角度探索剎車盤性能提高的手段措施和技術方法已開始受到關注。棲息于惡劣生存環境的甲蟲、蝗蟲等昆蟲經漫長自然進化而具有優異耐磨特性的體表，以此抵御生存環境中風沙和其他雜物的侵蝕、磨損。昆蟲體表的這種耐磨特性為剎車盤表面微結構的仿生設計提供了靈感，為剎車盤性能改善提供了新的研究思路?；诶ハx體表耐磨特性與微形貌結構間的耦合關系，建立具有較好耐磨特性剎車盤表面微結構設計的仿生模型，利用激光加工技術加工具有一定幾何形態的硬質仿生單元體，可顯著提高制動盤的耐磨性能。

工程仿生也將潛在應用于軍事、國防、工業生產等多個領域，利用鷹眼視網膜上的感光細胞對周圍亮度、方向、環境的敏感性，安裝有仿鷹眼雷達系統的預警機的靈敏度和穩定度有較大的提高[43]；根據海豚特殊皮膚結構仿生設計的耦合彈性壁,試驗表明，按一定尺寸排列的條紋型或凹坑型的非光滑表面形態可以使水泵葉輪表面具有明顯的降阻作用，效率可提高5.23%[44]；因蝴蝶鱗片[45]表面具有脊溝等非光滑結構，其形態、密度、分布等的微小差別可產生不同的光學效應而使鱗片呈現不同的顏色，其鱗片表面結構規律性變化可吸收或散射一定頻率的光波，為視頻隱身研究提供了新的思路；沙漠紅柳、蜥蜴[46]等在沖蝕磨損頻發的環境中生活形成的對風沙抗沖蝕能力,為用于研制柔性與形態耦合仿生樣件，解決沖蝕磨損問題提供依據。

4 結 語

農業機械領域普遍存在作業效率低、能源消耗大等問題，工程仿生技術基于動植物非光滑表面形態結構對生理特性的表現規律與機理，研究人員對其進行了較為深入的研究。因土壤動物體表特殊的非光滑表面結構而表現出的在潮濕土壤中不沾染特性實現了仿生推土板的成功設計，以及因豬籠草葉籠滑移區表面微小褶皺及納米尺度的片狀蠟質層結構而對昆蟲表現出的良好滑移功能實現了致災農業昆蟲捕集滑板的仿生研制，均實現了良好的脫附效果。進一步明確非光滑表面形態結構的改變對脫附效果的影響規律，進行規范化仿生設計，得到最優脫附降阻功能的非光滑表面設計參數將會促進農業機械領域的工程仿生技術的完善。對動植物非光滑表面的形態結構以及其相應功能的研究也為其他仿生研究、制備提供了理論參考，并不可避免地推動工程仿生技術的發展。

/

[1] 任露泉,佟 金,李建橋,等.松軟地面機械仿生理論與技術[J].農業機械學報,2000,31(1):5-9. REN Luquan,TONG Jin,LI Jianqiao,et al.Biomimetics of machinery for soft terrain [J].Transaction of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2000,31(1):5-9.

[2] 叢 茜,任露泉,陳秉聰,等.地面機械減黏脫土方法的研究[J].農業工程學報,1990,6(1):8-14. CONG Qian,REN Luquan,CHEN Bingcong,et al.Research of reducing soil adhesion method for terrain-machine [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,1990,6(1):8-14.

[3] 佚 名.脫土機理的仿生研究課題鑒定(國家自然科學基金委員會)報告之二[R].長春：吉林工業大學,1990. Anonymous.Subject Identification About Bionic Research Mechanism of Reducing Soil Adhension(National Natural Science Fund Committee),the Second Part[R].Changchun:Jilin University of Technology，1990.

[4] 任露泉,叢 茜,佟 金.界面黏附中非光滑表面基本特性的研究[J].農業工程學報,1992,8(1):16-22. REN Luquan,CONG Qian,TONG Jin.Research of non-smooth surface basic characteristics in the interface adhesion [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,1992,8(1):16-22.

[5] 孫霽宇,佟 金.甲殼類昆蟲生物材料性能、微觀結構研究與仿生進展[J].華中農業大學學報,2005,24(sup):31-39. SUN Jiyu,TONG Jin.Bionics research and development of crustacean material property and microstructure [J].Journal of Huazhong Agricultural,2005,24(sup):31-39.

[6] TONG J,REN L Q,CHEN B C,et al.Characteristics of adhesion between soil and solid surfaces [J].Journal of Terrarnechanics,1994,31(2):93-105.

[7] 劉艷豐,高洪一.土壤動物減黏脫附機制及其在農業機械上的應用[J].農業機械化與電氣化,2006(2):29-31. LIU Yanfeng,GAO Hongyi.Mechanism of soil animal reducing soil adhesion and its application in agricultural machinery [J].Agricultural Mechanization and Electrification,2006(2):29-31.

[8] 孫久榮,郭 策,戴振東.幾種剛毛的結構及其仿生學[J].生物物理學報,2007,23(6):428-435. SUN Jiurong,GUO Ce,DAI Zhendong.Study and bionics about several bristles structure [J].Acta Biophysica Sinica,2007,23(6):428-435.

[9] 張 毅,王笑風,楊東來.觸土部件仿生優化設計應用研究[J].筑路機械與施工機械化,2007(7):59-61. ZHANG Yi,WANG Xiaofeng,YANG Donglai.Study on bionic optimum design of soil-engaging component [J].Road Machinery & Construction Mechanization,2007(7):59-61.

[10] 梁顯升,李魯杰,張 毅.圓盤犁刀仿生設計應用研究[J].現代農業裝備,2008(2):54-56. LIANG Xiansheng,LI Lujie,ZHANG Yi.Application research and bionic design of disc coulter [J].Modern Agricultural Equipments,2008(2):54-56.

[11] REN L Q,TONG J,CHENG B C,et al.Reducing sliding resistance of soil against bulldozing plates by unsmoothed bionics surfaces [J].Journal of Terramechanics,1995,32:303-309.

[12] REN L Q,CONG Q,TONG J,et al.Reducing adhesion of soil against loading shovel using bionic electro-osmosis method [J].Journal of Terramechanics,2001,38(4):211-219.

[13] WANG C W,ZHOU H,ZHANG Z H,et al.Mechanical property of a low carbon steel with biomimetic units in different shapes [J].Optics & Laser Technology,2013,47:114-120.

[14] REN L Q,HAN Z W,LI J J,et al.Effects of non-smooth characteristics on bionic bulldozer blades in resistance reduction against soil [J].Journal of Terramechanics,2002,39:221-230.

[15] 杜 干.推土板宏觀觸土曲面減粘降阻性能試驗研究[D].洛陽：河南科技大學，2011. DU Gan.Experiment Research on Adhesion-reducing and Resistance-decreasing Properties of Macroscopic Soil-engaging Surface for Bulldozing Plates[D].Luoyang:Henan University of Science and Technology,2011.

[16] 任露泉,陳德興,胡建國,等.仿生推土板減黏降阻機理初探[J].農業工程學報,1990,6(2):13-20. REN Luquan,CHEN Dexing,HU Jianguo,et al.Preliminary investigation of reducing adhesion and resistance mechanism of bionic mouldboard [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,1990,6(2):13-20.

[17] SONI P,SALOKHE V M.Influence of dimensions of UHMW-PE protuberances on sliding resistance and normal adhesion of bangkok clay soil to biomimetic plates [J].Journal of Bionic Engineering,2006,3(2):63-71.

[18] ZHANG R,CHEN B,LI J Q,et al.DEM simulation of clod crushing by bionic bulldozing plate [J].Journal of Bionic Engineering,2008,5(sup):72-78.

[19] 任露泉,李建橋,陳秉聰.非光滑表面的仿生降阻研究[J].科學通報,1995,40(19):1812-1814. REN Luquan,LI Jianqiao,CHEN Bingcong.Unsmoothed surface on reducing resistance by bionics [J].Chinese Science Bulletin,1995,40(19):1812-1814.

[20] 李建橋,李忠范,李重渙,等.仿生非光滑犁壁規范化設計[J].農機化研究,2004(6):119-121. LI Jianqiao,LI Zhongfan,LI Chonghuan,et al.Normalization of bionics non-smooth surface for plow moldboard production [J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2004(6):119-121.

[21] 靖湘峰,雷朝亮.昆蟲趨光性及其機理的研究進展[J].昆蟲知識,2004,41(3):198-203. JING Xiangfeng,LEI Chaoliang.Advances in research on phototaxis of insects and the mechanism [J].Entomological Knowledge,2004,41(3):198-203.

[22] 劉啟航,周 強,?；⒘?蝗蟲對光譜光照特性趨光反應的對比及數學模型[J].農業工程學報,2011,27(8):252-256. LIU Qihang,ZHOU Qiang,NIU Huli.Comparison and mathematical analysis of locust phototactic response to spectral illumination [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2011,27(8):252-256.

[23] 劉啟航,周 強.頻閃光源和交變光源對蝗蟲趨光響應的試驗[J].江蘇大學學報(自然科學版),2011,32(3):260-265. LIU Qihang,ZHOU Qiang.Experiment of locust phototactic response to flash and cosine alternating light [J].Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition),2011,32(3):260-265.

[24] 牛虎力,王立新,周 強.光源與機械刺激下蝗蟲的運動行為[J].農業工程學報,2013,29(2):148-152. NIU Huli,WANG Lixin,ZHOU Qiang.Influence of light and mechanical stimuli on behavior of locust [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(2):148-152.

[25] 周 強，王立新，王有治，等.光電誘導蝗蟲滑移捕集機[P].中國專利：201781875U,2011-04-06. ZHOU Qiang,WANG Lixin,WANG Youzhi,et al.Photoelectric Inducing Locust Slippery Trapping Machine [P].CN:201781875U,2011-04-06.

[26] BITAR L,VOIGT D,ZEBITZ C,et al.Attachment ability of the codling moth Cydia pomonella L to rough substrates [J].Journal of Insert Physiology,2010,56:1966-1972.

[27] ELLISON A M,GOTRLLI N J.Energetics and the evolution of carnivorous plants-Darwin′s most wonderful plants in the world [J].Journal of Experimental Botany,2009,60:19-42.

[28] LIJIN C,JONATHAN A,CHARLES C.Trap geometry in three giant montane pitcher plant species from Borneo is a function of tree shrew body size [J].New Phytologist,2010,186:461-470.

[29] GAUME L,GORB S,ROWE N.Function of epidermal surfaces in the trapping efficiency of Nepenthes alata pitchers [J].New Phytologist,2002,156:479-489.

[30] BOHN H F,FEDERLE W.Insect aquaplaning:Nepenthes pitcher plants capture prey with the peristome,a fully wettable water-lubricated anisotropic surface [J].Proceeding of National Academy of Sciences,2004,101:14138-14143.

[31] WANG L X,ZHOU Q,ZHENG Y J.Composite structure and properties of pitcher surface of carnivorous plant Nepenthes and its influence on insect attachment system [J].Progress in Natural Science,2009,19:1657-1664.

[32] RIEDEL M,EICHNER A,MEIMBERG H,et al.Chemical composition of epicuticular wax crystals on the slippery zone in pitchers of five Nepenthes species and hybrids [J].Planta,2007,225:1517-1534.

[33] GORB E,HASS K,HENRICH A,et al.Composite structure of the crystalline epiicuticular wax layer of the slippery zone in the pitchers of the carnivorous plant Nepenthes alata and its effect on insect attachment [J].The Journal of Experimental Biology,2005,2088:4651-4662.

[34] GAUME L,PERRET P,GORB E.How do plant waxes cause flies to slide? Experimental tests of wax-based trapping mechanisms in three pitfall carnivorous plants [J].Arthropod Structure and Development,2003,33(1):103-111.

[35] SCHOLZ I,BUCKINS M,DOLGE L,et al.Slippery surfaces of pitcher plants Nepenthes wax crystals minimize insect attachment via microscopic surface roughness [J].The Journal of Experimental Biology 2010,213:1115-1125.

[36] WANG L X,ZHOU Q.Friction force of locust Locusta migratoria manilensis (Orthoptera,Locustidae) on slippery zones surface of pitchers from Nepenthes species [J].Tribology Letters,2011,44:345-353.

[37] WANG L X,ZHOU Q.Numerical characterization of surface structures of slippery zone in Nepenthes alata pitchers and its mechanism of reducing locust′s attachment force [J].Advances in Natural Science,2010(3):152-160.

[38] 王立新,周 強,羅瑞龍,等.蝗蟲在滑移捕集滑板上的附著力測試[J].農業機械學報,2010,41(12):195-198. WANG Lixin,ZHOU Qiang,LUO Ruilong,et al.Attachment force test of locust on slippery trapping plates [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(12):195-198.

[39] 王立新,周 強.基于豬籠草葉籠滑移區仿生的蝗蟲捕集滑板功效測試[J].農業機械學報,2011,42(5):222-225. WANG Lixin,ZHOU Qiang.Function testing of locust slippery plate manufactured based on waxy zone of Nepenthes pitchers [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(5):222-225.

[40] 高 科,孫友宏,高潤峰,等.仿生非光滑理論在鉆井工程中的應用與前景[J].石油勘探與開發,2009,36(4):519-522. GAO Ke,SUN Youhong,GAO Runfeng,et al.Application and prospect of bionic non-smooth theory in drilling engineering [J]. Petroleum Exploration and Development,2009,36(4):519-522.

[41] 孫友宏,高 科,張麗君,等.耦合仿生孕鑲金剛石鉆頭高效耐磨機理[J].吉林大學學報(地球科學版),2012,42 (sup3):220-225. SUN Youhong,GAO Ke,ZHANG Lijun,et al.High drilling efficiency and wear-resistant mechanism of coupling bionics impregnated diamond bit [J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2012,42 (sup3):220-225.

[42] 趙東屹.汽車剎車盤散熱性及摩擦磨損性能研究[D].大連:大連理工大學,2013. ZHAO Dongyi.Research on Dissipation and Friction-wear Performance of Automobile Brake Disc[D].Dalian:Dalian University of Technology,2013.

[43] 張俊秋.耦合仿生抗沖蝕功能表面試驗研究與數值模擬[D].長春:吉林大學,2011. ZHANG Junqiu.Experimental Investigation and Numerical Simulation on Coupling Bionic Functional Surface of Erosion Resistance[D].Changchun:Jilin University,2011.

[44] 任露泉,彭宗堯,陳慶海,等.離心式水泵仿生非光滑增效的試驗研究[J].吉林大學學報(工學版),2007,37(3):575-581. REN Luquan,PENG Zongyao,CHEN Qinghai,et al.Experimental study on efficiency enhancement of centrifugal water pump by bionic non-smooth technique[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2007,37(3):575-581.

[45] 邱兆美.蝴蝶鱗片微觀耦合結構及其光學性能與仿生研究[D].長春:吉林大學,2008. QIU Zhaomei.Research on Coupling Microstructure and Its Optical Characteristics and Bionics in Typical Butterfly Scales[D].Changchun:Jilin University,2008.

[46] 高 峰,黃 河,任露泉,等.沙漠蜥蜴體表抗沖蝕磨損的生物耦合特性[J].農業機械學報,2009,40(1):180-183. GAO Feng,HUANG He,REN Luquan,et al.Biology coupling characteristics of anti-erosive wear of desert lizard′s skin[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(1):180-183.

Research advance and development prospect of engineering bionics in agricultural machinery field

WANG Lixin, GAO Yayan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Engineering bionics research has been more widely used in the field of agricultural machinery. Based on the research of insects anti-adhesion and anti-resistance rule and carnivorous plants predation phenomenon, the engineering bionic technology utilized in agricultural production fields is gradually formed. Started from the research status of anti-adhesion and anti-resistance of biomimetic agricultural machine, as well as the biomimetic design and manufacture of slippery trapping plate used in controlling agricultural pests, this paper reviews the manifestation rules and mechanism exhibited by the non-smooth surface morphology of the typical animals and vegetations to their physiology function characteristics, and reviews the application research of the engineering bionics in the field of farming machinery and the mechanized controlling of agricultural pests, then analyzes potential research direction and development prospects in the field of engineering bionics.

engineering bionics; agricultural machinery; anti-adhesion and anti-resistance; slippery zones of Nepenthes pitchers; insect slippery trapping plate

2014-01-10；

2014-03-17；責任編輯：馮 民

國家自然科學基金(51205107)

王立新(1981-)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事機械仿生及摩擦學方面的研究。

E-mail：ck_021@tom.com

1008-1542(2014)04-0309-09

10.7535/hbkd.2014yx04001

S433.2;TP391.9

A

王立新，高雅妍.農業機械領域的工程仿生研究概況與應用前景[J].河北科技大學學報,2014,35(4):309-317.

WANG Lixin, GAO Yayan.Research advance and development prospect of engineering bionics in agricultural machinery field[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(4):309-317.