基于螳螂前足的香蕉纖維提取刀片仿生設計

曾 成，梁 棟，張喜瑞，李 粵

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

0 引言

仿生學通過研究生物的結構、性狀、原理、行為，為工程設計、設計優化及產品改進等許多方面提供了新思路、新原理。自然界數十億年來的演變進化，每一種生物都具有其獨特的生理結構幫助它生存。人類很早就開始模仿學習并且從中受益，這也是我們技術創新不斷學習的源泉之一[1-2]，通過觀察動物的某一性狀獲得啟示，進而為解決問題提供靈感。仿生學是聯合了生命科學、數學、物理學、工程學等多方面的交叉學科，有著廣闊的研究前景，為本文的刀片優化提供了一個很好的新思路。

螳螂是優秀的捕食者，捕食動作迅猛而準確。在捕食行為當中，它前足上的脛節和腿節布滿了鋒利的齒刺[3-4]，這些齒刺能夠刺入獵物的身體并且牢牢控制住獵物的行動直到捕食行為的完成。這種齒形結構在加工領域應用廣泛[5]，作為切割刀具可減阻降耗，有著重要的仿生意義。

移動式香蕉莖稈纖維提取機[6-7]工作結構與傳統的麻類制取機械相似，主體的工作部分是通過刮刀輥上加載的刀片對水平送入的香蕉莖稈不斷的擊打與刮取[8]。現有的纖維刮取刀片材料通常為角鋼，通常采用平刃結構，結構呈L型，一端通過螺栓固定在刀輥上通過刀刃刮取喂入的莖稈纖維。刀片的工況直接影響著機器的工作效率，優化刀片結構可以有效提高整機的工作性能。

本文通過對螳螂前足的形態研究，模仿箭螳的齒刺結構設計出兩種鋸齒形的仿生刀片，利用這種結構形態的特點來提高香蕉纖維提取機的工作效率。將設計好的仿生刀片與常用的平刃刀片通過試驗進行對比，觀察纖維制備率和含雜率的變化情況來驗證仿生優化刀片的可行性。

1 仿生刀片的工作原理及設計加工

1.1 刮雜裝置的工作原理

在麻類制取機械當中，一般采用平刃刀片，具有造價低及易于加工的特點。香蕉莖稈纖維提取裝置主要的工作流程如圖1所示。輥刀通過安裝好的L型平刃刀片順時針旋轉擊打水平送入的莖稈纖維葉片來刮取植物纖維，獲取到的粗纖維通過下方一對輸出輥收集，由皮帶輪帶出；雜質由于質量相對較大隨著刀輪的運動軌跡做離心運動從下定刀上方飛出。整個刮取裝置實現了自動將粗纖維與雜質分離。

實際操作發現，原刀片在一次喂入多片以上時提取率有較大程度下降，可能是因為隨著喂入片數的增多，加工時纖維厚度相對增加，刀片在刮取時無法充分接觸莖稈纖維。考慮到效益問題，一次喂入片數通常在3片以上，如何解決效率下降的問題是刀片優化需要考慮的問題之一。另一個不足是因為香蕉莖稈纖維相比于一般的植物纖維，具有含水量高、強度小、易斷裂的特性。平刃刀打擊強度大，力的作用點近乎在一條直線上，很容易造成莖稈纖維斷裂形成碎纖維雜質[9]，導致收集到的粗纖維含雜率高；同時，也容易導致在送入莖稈葉片時碎纖維在回收分離區發生纏繞，粗纖維無法正常卷入輸出輥形成堵塞。如何增大刀具與纖維面的接觸面積提高加工效率、減小刀具在加工時對植物纖維的破壞(提高成品率減少堵塞)，是本文仿生優化的主要方向。

1.刀輪 2.纖維 3.上定刀 4.運動軌跡 5.輸出輥 6.下定刀 圖1 刮雜裝置刀具運動軌跡Fig.1 The blades movement of the scraping device

1.2 仿生刀片的設計理念

本研究中的螳螂捕獲于海口市郊外(見圖2)，學名箭螳[10]，身形較長，在我國與馬來西亞均有分布。

圖2 螳螂標本Fig.2 The Mantis specimens

樣本體長約60～70mm，中前足的腿節和脛節長度總共約為26.78～36.49mm。觀察它的前足結構:

前肢修長，脛節向內折疊，形狀與鐮刀相似，腿節和脛節上有體刺均勻分布其中。其腿節上的刺大小基本相同，均勻分布腿節上；脛節上的齒大小不一，但可以大致分為大齒與小齒，這些體刺能夠幫助它捕捉并且固定獵物。根據腿節與脛節體刺的兩種分布模式，嘗試將腿節上齒刺均勻分布與脛節上大小齒交錯排列分布這兩種排列方法分別應用到刀片設計當中。

1.3 仿生刀片參數設計

刀片仿生主要以螳螂的前足尤其是脛節內側上的齒形分布為依據，通過實際對標本箭螳的前肢測量發現：腿節上的齒與脛節上的大齒尺寸相似，齒的寬度大約占整個前節寬度的40%～60%，小齒大小約為大齒的50%。考慮到齒的加工難度，加工的齒寬約為刀片厚度1/2，大小齒相同，可根據齒寬，在范圍內合理選取齒高。

原刀片為L型、Q235角鋼，原平刃刀刀片的尺寸如圖3所示[11]。考慮到刀片在車輥上的安裝及加工時與上下定刀間的距離，仿生刀片不改變原有尺寸，將原有的平刃部分改成兩種不同的齒形排列結構A和B。齒均安裝在靠近加工的一側，刀片的厚度約為3mm，齒的寬度大約占整個厚度一半即可。將仿生刀A設為齒高4mm的四棱錐均勻排列，齒頂部處于同一水平線上，齒底面均為等邊三角形。仿生刀B分別為齒高2.5mm與齒高4mm的大小齒交錯排列，底面同樣為等邊三角形，齒頂面不處于同一水平線上，如圖4所示。將設計好的刀具進行加工生產，然后進行試驗。

圖3 平刃刀刀片尺寸Fig.3 The figure of the flat blade

(a)

(b) 圖4 齒形刀(a)、(b)結構圖Fig.4 The structure and three dimensional schematic diagram of the tooth blade A and B

2 仿生刀片與普通刀片對照試驗

2.1 試驗方案

試驗的主要目的在于考察仿生刀片相對于普通的平刃刀片的實際優化情況，以及在喂入片數增多的情況下仿生刀是否更加穩定。因此，將刀具與莖稈喂入片數作為對照試驗中的變量，將纖維制備率和含雜率作為試驗優化結果的重要指標。

將試驗分為3個區組，為了減小誤差，需要進行多次重復取平均值，減少無關因素的影響。A組選用齒形刀A，B組選用齒形刀B，C組選用普通的平刃刀片。每組分別喂入N(N=1，2，3，4)片莖稈片，每一實驗重復5次結果取平均值，如表1所示。每次試驗間隔10min，試驗人員負責觀察清理機器工作區以及收集區，保證機器良好運轉。

表1 因子水平表Table 1 Order list of experiment level

2.2 試驗材料及設備

本試驗材料取自海南大學農學院實驗室所種植的巴西蕉。香蕉莖稈纖維為片狀，通過手工撥片可以明顯發現香蕉莖稈纖維層狀分布。加工一般選取的層數范圍為2～5層，最外層的表皮因為可能受到破損及纖維含量過高不適于加工，同時最內層的含水量過高纖維含量低同樣也不適于加工[12-13]。考慮到本次試驗對于實驗準確度要求較高，故試驗材料均只采用2～3層的莖稈纖維。莖稈長度均取值1.5m左右，水平最大寬度0.09m，保證每一片莖稈纖維質量500g左右，浮動不超過15g。試驗機器包括移動式全喂入香蕉莖稈纖維提取機、cp423S型高精度電子天平及DHG202-0B型電子真空干燥箱。

2.3 試驗指標與試驗結果記錄

試驗主要測量兩個指標：纖維提取率與含雜率。纖維提取率是衡量纖維提取機提取纖維能力的重要衡量標準，試驗中收集到的粗纖維由出料裝置收集，收集之后注意不要沾上泥土。不清洗直接通過電子真空干燥箱干燥(防止水洗掉需要檢測的部分雜質對實驗結果產生影響)，烘干測得所得粗纖維質量m1。

刮制到的粗纖維的制備率θ為

(1)

式中m1—提取后粗纖維(烘干)質量(g)；

m—一次喂入的莖稈片的質量(g)。

含雜率也是本次測試的一個重要指標,齒形刀片相對來說能夠更好地保護植物纖維，減少碎麻產生。因此,含雜率是否有相對減少也是本次仿生優化的目的之一。將烘干的粗纖維使用鋼刷輕輕梳理纖維并重復稱量，當梳理前后質量浮動不超過0.1g時，測量最后剩下的纖維質量m2。

提取到的香蕉纖維的含雜率為

(2)

式中m2—反復梳理后剩余的粗纖維質量(g)；

m1—烘干后粗纖維的質量(g)。

最后得到的試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果記錄表Table 2 Record of experiment results %

3 試驗結果分析

3.1 數據處理

普通香蕉莖稈纖維含水量在80%～85%左右，考慮到機器的工作效率，纖維含量大約處于10%～16%之間，因此試驗數據處于有效范圍。

用SPSS軟件分別將纖維制備率和含雜率分別進行顯著性檢驗[14-15]，來判斷刀具刃口形狀與一次喂入片數對纖維提取率與含雜率是否有顯著影響。

建立假設H0：刀具或喂入片數對于纖維提取率無顯著性影響。

建立方差數據分析表格(見表3和表4)，顯著性水平α取0.05。

表3 纖維制備率方差分析表Table 3 The variance analysis of fiber extraction ratio

表4 含雜率方差分析表Table 4 The variance analysis of impurity ratio

由表3可以看出：對于指標纖維制備率，刀具因子的P值小于顯著性水平α，因此拒絕原假設，可以認為刀具的選擇對于纖維提取率有顯著影響。

同理，也可以得出刀具選擇對含雜率有顯著影響。值得注意的是，喂入片數的P值同樣小于顯著性水平α，對于含雜率也有顯著影響。

3.2 數據分析

由表2發現：A、B組的纖維制取率要優于C組，平均纖維制備率都在15%左右；而C組纖維制備率平均在13%左右且波動較大，尤其在加工多片莖稈纖維時，效率明顯下降；B組的齒形刀加工效率稍優于A組的齒形刀。考慮到莖稈中80%以上都是水分，纖維提取率已經有了顯著的提升。

試驗發現：隨著每次喂入的片數增加，纖維制備率有所下降，尤其是C組平刃刀片效率有明顯的下降，從喂入1片到4片下降了大概2.5%。原因為：隨著片數的增多，莖稈纖維沒有與刀片充分接觸導致[16]；而A、B組影響較小，顯示了齒形刀在加工過程中相對于平刃刀與莖稈的接觸面積更大，作業面充分接觸提高了加工效率。在多片喂入時，仿生刀片具有很好的工作性能，且B刀較于A刀效果更好，平均的纖維提取率高0.5%左右

從含雜率指標看，C組含雜率平均在14%左右，A組11.5%左右，C組11%左右。由此可知，仿生的齒形刀能夠有效減少含雜率及收集區的纏繞堵塞，提高最后實際制得的纖維質量。A、B齒形刀含雜率相近，B型齒形刀同樣略好于A型齒形刀。

綜上分析可得：齒形刀B(大小齒交錯排列)為香蕉纖維提取機械刀片最優選擇。

4 結論

1) 原L型刀片在大量制取香蕉莖稈纖維時加工效率較低，且加工時碎麻較多，易發生堵塞。

2)通過觀察螳螂前足結構，模仿螳螂捕獵時前肢的齒刺結構，設計出大小齒交錯排列的齒形刮麻刀片，提高了纖維制備率，減少了含雜率。

3)試驗數據表明：設計的齒形刀使纖維制備率從平均13%提升到了15%，含雜率從14%降低至11%左右。仿生刀片相對于原刀片加工效率有著顯著提升。

該研究所應用的仿生學原理對于纖維提取機械刀具的后續研究與優化中提供了借鑒與技術支持。

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