工程仿生在農(nóng)業(yè)機械減阻技術的應用

摘要： 隨著仿生技術的不斷發(fā)展，仿生學的各項研究成果也得到了廣泛應用。在農(nóng)業(yè)機械化推廣過程中，使用的過程中產(chǎn)生的過大阻力是制約其良性快速發(fā)展的主要原因。而基于昆蟲脫附減阻規(guī)律與食蟲植物捕食現(xiàn)象的仿生學研究及其成果的應用能使農(nóng)業(yè)機械減阻技術得到很好的發(fā)展。

關鍵詞：工程仿生；農(nóng)業(yè)機械；減阻技術 ；應用

中圖分類號： S220.1 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.23.018

仿生學是在20世紀60年代開始形成并出現(xiàn)的一門新型學科，是生物學和工程技術學科結合在一起互相滲透而孕育出的新生科學，仿生學是人類模仿生物功能進行發(fā)明、創(chuàng)造技術結構的科學，其研究的是如何把生物體具有的功能或結構以及工作原理等，移植到工程實用技術中。當前全球范圍內石油能源的消耗在急劇增加，引發(fā)了溫室氣體的排放迅速增加，氣候變暖問題已日益嚴峻。農(nóng)業(yè)機械在各種能耗機械中占據(jù)絕大部分份額，根據(jù)調查我國農(nóng)業(yè)機械消耗的柴油量約占總量的30%，而且我國農(nóng)業(yè)機械化的起步還較晚，只是在近些年才有了一些發(fā)展，而隨著農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)方式的發(fā)展以及大量農(nóng)機的使用，能源的消耗勢必會逐漸增加，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的機械上實施節(jié)能減排，有利于緩解我國的資源和環(huán)境壓力。

1在農(nóng)業(yè)機械減阻技術上應用工程仿生的原因

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物的耕種和病蟲害的防治是最關鍵的兩個環(huán)節(jié)。在使用農(nóng)業(yè)機械進行農(nóng)作物耕種的過程中，當農(nóng)業(yè)機械實施作業(yè)時不可避免會使耕種類機械上的部件與土壤產(chǎn)生直接接觸，進而產(chǎn)生出因接觸而發(fā)生的黏附力，不僅會使土壤黏附于觸土部件的表面產(chǎn)生積留，還會因此增加機械作業(yè)的阻力，降低農(nóng)業(yè)機械作業(yè)效率、質量及機械的使用壽命，而最重要的還是會因此增加農(nóng)業(yè)機械的能源消耗。如果可以把仿生技術應用到農(nóng)業(yè)機械的設計中來，例如分析、利用蜣螂腹部的紋理特征（這種生物特征能夠在一定程度上減小土壤的粘附作用和摩擦力）進行仿生設計，就能使農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)有效減少作業(yè)時的驅動力（能源消耗），也能提高機械的使用壽命。

另外一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)——病蟲害防治，同時有對仿生技術的需求，這是因為在使用仿生技術前進行病蟲害防治時主要使用的手段是噴施農(nóng)藥，但這種方法在實現(xiàn)快速滅殺病蟲害的同時會造成土壤、產(chǎn)品以及生態(tài)環(huán)境中農(nóng)藥成份的殘留、積淀，嚴重破壞農(nóng)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)平衡，威脅環(huán)境及人們的健康。這時如果可以仿生自然界中蝗蟲的機械化滑移捕集功能則能很好地克服上面這種情況的發(fā)生。該仿生技術是通過模仿蝗蟲的生物功能制造出具有良好滑移功能的捕集滑板，以此來實現(xiàn)對蝗蟲或其他類別昆蟲的捕集。這樣的操作不僅能實現(xiàn)有效地蟲害防治，還不會對環(huán)境造成污染。所以不管從哪方面出發(fā)考慮，仿生技術的應用對農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)都具有十分重要的意義。

2 仿生技術的發(fā)展概況

由于仿生學研究的出發(fā)點就是以模仿生物結構、功能方面的基本原理來制作新的或者改進舊的機構、儀器、建筑等，所以相對來說是處于在生物學與技術科學間發(fā)展起來的邊緣類學科。仿生學研究、學習各類生物的多樣化能力，研究作用機制，并把這作為開展技術設計的路徑。仿生學的出現(xiàn)使生物學、生理學、神經(jīng)學及計算機、通訊等多種工程技術科學得以緊密聯(lián)系起來，所以仿生技術就是根據(jù)生物結構性質、能量轉換、信息傳遞過程而對現(xiàn)有機械、儀器、工藝過程進行改進或創(chuàng)造新的機械、儀器和工藝過程的技術。

3工程仿生在農(nóng)業(yè)機械減阻技術方面的應用和展望

自仿生學誕生以來，仿生技術就得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，尤其是近些年，很多國家都在加大在生物、物理、化學、工程技術等領域的仿生學研究，并投入大量人力、物力，獲得了驚人的進展。仿生學的很多研究成果經(jīng)實踐證明也確實對解決農(nóng)作物耕種過程中存在的土壤阻力和農(nóng)作物病蟲害防治有很明顯的效果。

在自然界中，動物（包括昆蟲）在數(shù)億萬年的競爭進化后，逐漸形成了自身獨具特色卻又高度適應環(huán)境的生理特性（如幾何體形結構、表面非光滑織結構等），并在運動平穩(wěn)性、靈活性和對能量的高效利用方面表現(xiàn)出遠優(yōu)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的特性。例如，在土壤中生存的動物體，體表普遍都會表現(xiàn)出幾何非光滑特征，即以一定幾何形狀的結構單元隨機或規(guī)律地分布于體表的某些部位（結構單元有鱗片形、凸包形、凹坑形、波紋形等），當這些非光滑體表在與土壤進行接觸時會相互作用產(chǎn)生微振效應或水膜不連續(xù)效應或界面空氣膜效應等，這些效應會使粘附面產(chǎn)生一定頻率振幅的微動，從而實現(xiàn)減少與土壤的接觸面積和時間，從而能減小土壤與動物非光滑體表的粘附力和摩擦力。所以通過仿生技術的研究把這一反應應用到農(nóng)業(yè)機械上，能很好地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時遇到的土壤阻力問題，在實現(xiàn)有效作業(yè)的同時達到節(jié)能減排的效果。

因此，在農(nóng)業(yè)機械上應用工程仿生就是從仿生學研究的視角出發(fā)，在對動植物的生理結構、功能特性及其所包含的物質、能量、信息等方面分析、探索的基礎上，研究出如何把生物功能有效嫁接到農(nóng)業(yè)機械的制造、設計過程中，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的減阻、脫附、耐磨。

4結語

把工程仿生技術應用于農(nóng)業(yè)機械領域能有效解決當前農(nóng)業(yè)機械存在的作業(yè)效率低、能源消耗大的問題，而且通過農(nóng)業(yè)機械的改進及應用又能最大限度地實踐工程仿生技術的有效性，所以也會不可避免地推動工程仿生技術的發(fā)展。

作者簡介：季祥，中專學歷，梨樹縣農(nóng)機學校，助理工程師，研究方向：農(nóng)機工程。