仿生學在農機減阻中的應用

董銘強

摘要：在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。詳細介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機理，及其在農機減阻方面的應用現狀，為仿生學在農機設計中的應用提供參考。

關鍵詞：仿生學；農機；脫附減阻；機理；減粘降阻

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

仿生學是20世紀60年代出現的一門新型邊緣學科，是指人類模仿生物功能發明創造技術結構的科學。仿生學的研究對象是生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于人造工程技術中，用以發明、創造新技術。該學科的問世，大大開闊了人類的技術眼界，顯示出巨大的發展潛力。在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。近年來，仿生學提出減阻脫附基本原理，并由此設計出許多成功的產品，顯示出廣闊的發展前景。

1 仿生學在脫附減阻工程技術上的應用

1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

1936年，Gray J 通過20 a的科學研究發現，海豚體表光滑，且皮膚表面下有許多纖維結節，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轉變成具有一定幾何形狀的非光滑形態，從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳運動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

德國科學家通過觀察和研究鯊魚皮膚（如圖2中所示），發現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。這一發現被美國航天局蘭利研究所利用，并在飛機上進行試驗，減阻效果達到了8%。

1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

20世紀80年代，我國結合原有的生物知識，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進行總結。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構；2） 體表含有有利于減粘脫土的物質；3） 可用于減粘脫土的生物電系統；4） 分泌有利于減粘脫土的特殊物質。利用這些方法設計的仿生犁壁，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理

20世紀20年代，人們從不同角度研究土壤粘附機理，提出種種不同的理論和學說，如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher，Baver等認為，土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質產生的。我國學者錢定華從表面能量的觀點出發，提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀70年代，秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系，進一步完善了毛細管理論。20世紀末至21世紀初，吉林大學的一些研究者從不同側面對土壤粘附機理進行了深入探索，研究多因素作用下的土壤粘附動態規律，并進行了試驗優化、分形分維、灰色關聯和神經網絡等多種量化分析。

土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環境中順暢活動，且體表沒有泥土粘附，其動態行為（包括行走狀態和拱土狀態）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

土壤動物大多數時間都在土壤中活動，其體表直接與土壤進行接觸。通過對土壤動物進行觀察發現，非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結構組成多種多樣，有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等，具體形態如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結構，非常多樣化。在一種動物身上可以發現多種體表組成結構，且每種結構的力學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行模擬來研究人工柔性系統。目前，己經有很多種具有柔性仿生結構的機械部件被設計并制造出來，例如鏈布式、鏈條式、螺旋網式的柔性襯及柔性鎮壓輥，它們的形態如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結構單元的動態行為來達到脫附目的，同時還可減少能耗，一舉多得。

2.3 生物電滲及其仿生

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

2.4 生物構形及其仿生

構形仿生就是從形狀上進行模擬，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，科學家們對這些動物的爪趾（見圖7）進行了構形仿生，發明并制造了帶有曲面設計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統的直線形深松鏟減阻19%，可更加高效的進行田間作業。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用于農業生產。

2.5 生物潤滑及其仿生

在外界環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 生物體表物質構成及其仿生

相關研究表明，土壤動物體內含有的某些元素，能夠幫助它們在運動中減粘脫土。土壤動物體內含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，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行分析，發現與體表接觸的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量較多。而這些元素表現出很強的疏水特性，確保土壤動物在粘濕的土壤中運動時，水不會粘著在體表。

3 仿生學在農機減阻方面應用

根據地面機械脫附減阻的實際需求，運用各種單元仿生、多元耦合（協同）仿生的理論及技術，結合地面機械的類型、觸土部件作業規律和結構特點，制定了不同類型仿生產品的開發原則。目前，多種仿生脫附減阻部件已在農業機械上廣泛應用。

應用結果表明，這些仿生部件結構簡單，能在不影響原機正常作業的條件下，與工作裝置同步自動完成預定作業，且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如，仿生犁壁、仿生鎮壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達90%；仿生深松鏟較傳統鏟減阻19%，較日本島根公司生產的鏟減阻6%～8%。

4 結語

地面機械在松軟地面行駛和作業時，存在粘附和阻力問題，是農業生產和眾多工程領域普遍性的技術難題。長期以來，為探索脫附減阻的規律和本質，國內外研究人員在理論、方法、技術方面進行研究，建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術體系，研制出多種仿生產品，取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明，仿生學在農機上的應用，解決了許多以前解決不了的難題。

摘要：在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。詳細介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機理，及其在農機減阻方面的應用現狀，為仿生學在農機設計中的應用提供參考。

關鍵詞：仿生學；農機；脫附減阻；機理；減粘降阻

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

仿生學是20世紀60年代出現的一門新型邊緣學科，是指人類模仿生物功能發明創造技術結構的科學。仿生學的研究對象是生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于人造工程技術中，用以發明、創造新技術。該學科的問世，大大開闊了人類的技術眼界，顯示出巨大的發展潛力。在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。近年來，仿生學提出減阻脫附基本原理，并由此設計出許多成功的產品，顯示出廣闊的發展前景。

1 仿生學在脫附減阻工程技術上的應用

1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

1936年，Gray J 通過20 a的科學研究發現，海豚體表光滑，且皮膚表面下有許多纖維結節，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轉變成具有一定幾何形狀的非光滑形態，從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳運動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

德國科學家通過觀察和研究鯊魚皮膚（如圖2中所示），發現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。這一發現被美國航天局蘭利研究所利用，并在飛機上進行試驗，減阻效果達到了8%。

1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

20世紀80年代，我國結合原有的生物知識，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進行總結。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構；2） 體表含有有利于減粘脫土的物質；3） 可用于減粘脫土的生物電系統；4） 分泌有利于減粘脫土的特殊物質。利用這些方法設計的仿生犁壁，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理

20世紀20年代，人們從不同角度研究土壤粘附機理，提出種種不同的理論和學說，如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher，Baver等認為，土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質產生的。我國學者錢定華從表面能量的觀點出發，提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀70年代，秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系，進一步完善了毛細管理論。20世紀末至21世紀初，吉林大學的一些研究者從不同側面對土壤粘附機理進行了深入探索，研究多因素作用下的土壤粘附動態規律，并進行了試驗優化、分形分維、灰色關聯和神經網絡等多種量化分析。

土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環境中順暢活動，且體表沒有泥土粘附，其動態行為（包括行走狀態和拱土狀態）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

土壤動物大多數時間都在土壤中活動，其體表直接與土壤進行接觸。通過對土壤動物進行觀察發現，非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結構組成多種多樣，有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等，具體形態如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結構，非常多樣化。在一種動物身上可以發現多種體表組成結構，且每種結構的力學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行模擬來研究人工柔性系統。目前，己經有很多種具有柔性仿生結構的機械部件被設計并制造出來，例如鏈布式、鏈條式、螺旋網式的柔性襯及柔性鎮壓輥，它們的形態如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結構單元的動態行為來達到脫附目的，同時還可減少能耗，一舉多得。

2.3 生物電滲及其仿生

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

2.4 生物構形及其仿生

構形仿生就是從形狀上進行模擬，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，科學家們對這些動物的爪趾（見圖7）進行了構形仿生，發明并制造了帶有曲面設計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統的直線形深松鏟減阻19%，可更加高效的進行田間作業。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用于農業生產。

2.5 生物潤滑及其仿生

在外界環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 生物體表物質構成及其仿生

相關研究表明，土壤動物體內含有的某些元素，能夠幫助它們在運動中減粘脫土。土壤動物體內含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，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行分析，發現與體表接觸的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量較多。而這些元素表現出很強的疏水特性，確保土壤動物在粘濕的土壤中運動時，水不會粘著在體表。

3 仿生學在農機減阻方面應用

根據地面機械脫附減阻的實際需求，運用各種單元仿生、多元耦合（協同）仿生的理論及技術，結合地面機械的類型、觸土部件作業規律和結構特點，制定了不同類型仿生產品的開發原則。目前，多種仿生脫附減阻部件已在農業機械上廣泛應用。

應用結果表明，這些仿生部件結構簡單，能在不影響原機正常作業的條件下，與工作裝置同步自動完成預定作業，且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如，仿生犁壁、仿生鎮壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達90%；仿生深松鏟較傳統鏟減阻19%，較日本島根公司生產的鏟減阻6%～8%。

4 結語

地面機械在松軟地面行駛和作業時，存在粘附和阻力問題，是農業生產和眾多工程領域普遍性的技術難題。長期以來，為探索脫附減阻的規律和本質，國內外研究人員在理論、方法、技術方面進行研究，建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術體系，研制出多種仿生產品，取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明，仿生學在農機上的應用，解決了許多以前解決不了的難題。

摘要：在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。詳細介紹非光滑表面脫附減阻、減粘降阻的機理，及其在農機減阻方面的應用現狀，為仿生學在農機設計中的應用提供參考。

關鍵詞：仿生學；農機；脫附減阻；機理；減粘降阻

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

仿生學是20世紀60年代出現的一門新型邊緣學科，是指人類模仿生物功能發明創造技術結構的科學。仿生學的研究對象是生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于人造工程技術中，用以發明、創造新技術。該學科的問世，大大開闊了人類的技術眼界，顯示出巨大的發展潛力。在農業機械化的推廣過程中，阻力過大是制約其發展的重要因素，而仿生學提出了解決此問題的新思路。近年來，仿生學提出減阻脫附基本原理，并由此設計出許多成功的產品，顯示出廣闊的發展前景。

1 仿生學在脫附減阻工程技術上的應用

1.1 水生動物非光滑表面減阻脫附

1936年，Gray J 通過20 a的科學研究發現，海豚體表光滑，且皮膚表面下有許多纖維結節，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轉變成具有一定幾何形狀的非光滑形態，從而阻力減小、游速提高。Speedo公司利用這一技術研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳運動員的游速大幅提高。圖1為大鯊魚表面和Fastskin布料的泳衣。

德國科學家通過觀察和研究鯊魚皮膚（如圖2中所示），發現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。這一發現被美國航天局蘭利研究所利用，并在飛機上進行試驗，減阻效果達到了8%。

1.2 土壤動物非光滑表面減粘降阻

20世紀80年代，我國結合原有的生物知識，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進行總結。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構；2） 體表含有有利于減粘脫土的物質；3） 可用于減粘脫土的生物電系統；4） 分泌有利于減粘脫土的特殊物質。利用這些方法設計的仿生犁壁，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理

20世紀20年代，人們從不同角度研究土壤粘附機理，提出種種不同的理論和學說，如Fountaine的水分張力理論、Zisman毛細管理論、Baxtnh的分子電荷理論等。Fisher，Baver等認為，土壤粘附力是由束縛水形成的水膜介質產生的。我國學者錢定華從表面能量的觀點出發，提出了土壤對金屬粘附的五層界面模型。20世紀70年代，秋山豐和橫井肇將土壤看作均勻的球形粒子系，進一步完善了毛細管理論。20世紀末至21世紀初，吉林大學的一些研究者從不同側面對土壤粘附機理進行了深入探索，研究多因素作用下的土壤粘附動態規律，并進行了試驗優化、分形分維、灰色關聯和神經網絡等多種量化分析。

土壤動物能夠常年在有粘性且潮濕的土壤環境中順暢活動，且體表沒有泥土粘附，其動態行為（包括行走狀態和拱土狀態）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

土壤動物大多數時間都在土壤中活動，其體表直接與土壤進行接觸。通過對土壤動物進行觀察發現，非光滑體表是它們具有減粘降阻能力的重要原因之一。非光滑體表的結構組成多種多樣，有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等，具體形態如圖3所示。每種土壤動物都有不同的體表組成結構，非常多樣化。在一種動物身上可以發現多種體表組成結構，且每種結構的力學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行模擬來研究人工柔性系統。目前，己經有很多種具有柔性仿生結構的機械部件被設計并制造出來，例如鏈布式、鏈條式、螺旋網式的柔性襯及柔性鎮壓輥，它們的形態如圖4所示。它們通過模擬柔性仿生結構單元的動態行為來達到脫附目的，同時還可減少能耗，一舉多得。

2.3 生物電滲及其仿生

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

2.4 生物構形及其仿生

構形仿生就是從形狀上進行模擬，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，科學家們對這些動物的爪趾（見圖7）進行了構形仿生，發明并制造了帶有曲面設計的仿生深松鏟。此種深松鏟比傳統的直線形深松鏟減阻19%，可更加高效的進行田間作業。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用于農業生產。

2.5 生物潤滑及其仿生

在外界環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 生物體表物質構成及其仿生

相關研究表明，土壤動物體內含有的某些元素，能夠幫助它們在運動中減粘脫土。土壤動物體內含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，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行分析，發現與體表接觸的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量較多。而這些元素表現出很強的疏水特性，確保土壤動物在粘濕的土壤中運動時，水不會粘著在體表。

3 仿生學在農機減阻方面應用

根據地面機械脫附減阻的實際需求，運用各種單元仿生、多元耦合（協同）仿生的理論及技術，結合地面機械的類型、觸土部件作業規律和結構特點，制定了不同類型仿生產品的開發原則。目前，多種仿生脫附減阻部件已在農業機械上廣泛應用。

應用結果表明，這些仿生部件結構簡單，能在不影響原機正常作業的條件下，與工作裝置同步自動完成預定作業，且成本低、能耗小、效率高、脫附效果好。例如，仿生犁壁、仿生鎮壓輥和仿生電滲落煤斗等的脫附率達90%；仿生深松鏟較傳統鏟減阻19%，較日本島根公司生產的鏟減阻6%～8%。

4 結語

地面機械在松軟地面行駛和作業時，存在粘附和阻力問題，是農業生產和眾多工程領域普遍性的技術難題。長期以來，為探索脫附減阻的規律和本質，國內外研究人員在理論、方法、技術方面進行研究，建立了生物脫附減阻理論及其仿生技術體系，研制出多種仿生產品，取得了明顯的成效。大量的研究和實踐表明，仿生學在農機上的應用，解決了許多以前解決不了的難題。