農業觸土機具表面仿生減阻抗磨特性研究進展

中圖分類號：TH117.1；S22 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0045-09

DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2025.08.007

Abstract：Theworking environmentofagriculturalearth-touching machinesisharsh，with directcontact with soil， gravel，stones，etc.，resulting inwear，impact，andoperating inanon-lubricated state.Thetraditional methodsof reducingimpedancegrinding，suchas increasing hardness，singlebionicapplication，oraddingsoil guidegrooveonits Working surface，have limited efectonreducing metal wear and reducing drag，showing minimal improvement in the drag andwearreduction performanceof agriculturalearth-touching components.Tobetter promote the developmentof surface bionicwearresistant characteristics，theresearch statusof bionicimpedanceand grindingreductionforagricultural soil-contactsurfaces wasreviewed from the perspectives of configuration bionic，surface micro-structure bionic，flexible bionicandcoupling bionic.Thestudy foundthatsingle-type bionic solutionscanno longer mettheneeds ofmoderrapid development of agriculture.Future research shouldadhere tothe principleofcomplementaryadvantages，givefullplay to thesubjective inititive，use diferent typesof impedanceandgrinding reduction technologyrationall，andstrive to maximize the use of various resistance and wear reduction technologies.

Keywords：agricultural earth-touching machine;abrasive wear； bionic； impedance reduction mill； coupling bionics

0 引言

我國是農業大國，農具材料從石、骨、木發展到青銅、鐵、鋼，使用壽命遞增。目前，研究主要集中在減少農業機械耕作時的阻力以及提升觸土部件的耐磨性能上。2024年2月29日，我國自然資源部公布《2023年中國自然資源公報》，其中耕地面積為 127580khm² 。據統計，我國每年在土壤中直接磨損的金屬材料占制造農業觸土部件所需鋼材的 27% 。農業機械工作部件的磨損是影響其生產效率和能耗的主要因素，其中最典型的是土壤對觸土工作部件的磨損。農業機械報廢的很大一部分原因是觸土部件與土壤之間的磨粒磨損失效，其比例已高達 60% 以上[1，2]。

在自然界中很多生物已經進化出相應的技能來減少摩擦。比如在土壤中生活的掘土動物，為適應土壤中的生活，進化出很多能夠降低挖掘阻力、土壤黏附和磨損的結構，這為觸土部件的減阻、減黏和耐磨結構的設計提供了天然的摹本[3]。例如馬來西亞穿山甲[4因其經常在沙土中挖掘和移動以捕食獵物，在體表進化出長約3cm 、寬約 2cm 的甲片，這些甲片能有效抵抗磨蝕性沙土的磨損；蛇的鱗片[5可以增大摩擦，這樣有利于其移動；芋頭葉表面的乳頭狀突起與蹼狀脊隔開，使其表現出疏水性[，因此始終能保持葉面的整潔；與芋頭相似的還有荷葉，其表面也有疏水性，使其能保持葉面整潔等。這些自然界生物表面表現出來的摩擦學特征，為研究提供許多可以借鑒的樣本。為更好地促進表面仿生在農業觸土機具減阻抗磨方面的廣泛應用，本文從構型仿生、表面微結構仿生、柔性仿生和耦合仿生4個方面綜述農業觸土機具表面仿生抗磨特性的研究進展，并對其逐個分析，為今后的研究提供參考。

1農業觸土機具的磨損機制

農業觸土機具的損壞失效最主要的原因是與土壤接觸造成的磨損。農業觸土機具的磨損形式有磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損、沖蝕磨損和疲勞磨損，其中磨粒磨損是最為常見和突出的磨損形式[8]。農業觸土機具的工作環境一般是在無潤滑狀態下進行的，農業觸土機具直接與土壤接觸，頻繁受到土壤、石塊、砂礫等的磨損、擠壓、沖擊，導致農業觸土機具工作環境惡劣，像這樣在硬粗糙表面或硬顆粒在軟表面上滑動時產生的塑性變形或者斷裂而引起的表面損傷就是磨粒磨損。

在農業生產活動中大多數的磨損形式均屬于磨粒磨損9（圖1），根據摩擦副間是否存在可自由移動的硬質粒子，磨粒磨損被分為兩體磨損和三體磨損。兩體磨損是指當部件與土壤表面或表面鑲嵌的磨粒相互接觸并發生滑動時，硬度較高的一方對硬度較低的一方產生的磨損，如犁鏵與土壤等物料接觸的磨損。三體磨損是指在部件和土壤之間存在自由磨粒，其在觸土部件表面滾動或滑動時產生的磨損[10.11]。在磨粒磨損中被磨損的一方稱為第一體，與第一體形成摩擦副的另一方稱為第二體，第三體則是指第一體與第二體之間的磨料，結合農業觸土機具的工作環境，觸土機構為第一體，觸土機構所耕作的土壤為第二體，夾在觸土機構和耕作土壤之間自由移動的土壤、石塊、砂礫等是第三體，由此可知，在農業觸土機具的磨損中三體磨損更具普遍性。

2觸土機具表面仿生減阻抗磨的類型及研究進展

近年來，通過仿生來達到農業觸土機具的減阻抗磨的應用越來越多，為解決農業觸土機具的減阻抗磨問題提供新的思路。仿生觸土機具的應用不僅降低耕作阻力、減少耕作中觸土機具的磨損、加快耕作效率，還節約資源。如基于蜣螂體表微結構設計的仿生犁壁，實現減黏脫附性能[12]，從而減小耕作阻力，提高耕作效率；通過學習鼴鼠爪趾尖結構，開發了用于土壤翻耕和清理斷茬的仿生刀片[13]，與普通刀片相比，仿生刀片所需要的扭矩更低，這代表所需動力更少，提高了資源利用率；通過模仿蚯蚓結構和運動行為設計的仿生開溝器[14]和鎮壓輥仿生減黏脫附結構[15]，均可減少觸土部件表面土壤黏附，達到減小耕作阻力、提高耕作效率的目的；使用橡膠模擬蚯蚓肌肉的收縮和舒展，將其應用到鎮壓輥上，減少土壤的黏附;基于黃鼠、小家鼠爪趾結構設計的仿生深松鏟柄16和鏟柄破土刃口結構[7可降低深松作業阻力，在減阻、減黏脫附等性能優化方面取得了良好的應用效果。以上案例按農業觸土機具表面仿生減阻抗磨類型主要可以分為構型仿生、表面微結構仿生、柔性仿生及耦合仿生。

2.1 構型仿生

構型仿生是通過模仿土壤生物的掘土器官的結構、外形等，將其應用于觸土機具中?，F有研究普遍以掘土動物用于挖掘土壤的爪趾作為研究對象，從爪趾上提取到輪廓曲線的結構特征，然后將該輪廓曲線的結構特征直接或者優化后應用于農業觸土機具。

張金波等將小家鼠挖掘爪趾縱刨面上的輪廓曲線，通過回歸分析方法得到爪趾縱刨面上輪廓曲線方程，將其應用于深松鏟破土刃口的結構設計中，再通過田間對比試驗，測試仿生鏟和傳統鏟在相同試驗條件下的耕作阻力平均值，進行對比分析，當耕深為250mm 、前進速度為 2.0km/h 時，仿生鏟的減阻率最佳，相比傳統鏟減少 39.6% 的耕作阻力。結果表明：這種仿生深松鏟與傳統深松鏟相比具有顯著的減阻效果，耕作阻力降低 8.5%～39.6% ，平均減阻19% 。這也表明將掘土動物的掘土爪趾曲線應用于深松鏟減阻結構設計中是可行的，有助于提高農業生產效率、降低耕作阻力、減少能源消耗。

紀冬冬[18通過對自然界中善于挖掘土壤的穴居動物進行觀察與研究，發現這些動物的爪趾結構特征能降低在挖掘土壤時的摩擦力及土壤間的黏附作用，受此啟發設計了一種仿生變曲率深松鏟。利用LS—DYNA軟件在耕作深度為 220mm ！ 250mm 、280mm ，耕作速度為 4km/h.5km/h.6km/h 的試驗條件下，與傳統深松鏟進行耕作阻力對比仿真分析，發現仿生變曲率深松鏟減阻性能最好，其阻力最小為601N，再在同等試驗條件下利用田間試驗進行結果驗證，結果表明：這種仿生深松鏟相比傳統深松鏟能降低挖掘土壤時的摩擦力及土壤間的黏附作用，從而降低耕作阻力 19.40%～29.38% ，且具有良好的切土效果，有效降低耕作阻力。肖茂華等[19測量20只東方蟠蛄前足爪趾的爪趾長度、爪趾之間角度等信息，根據仿生設計中的比例法，結合旋耕刀片和東方蜷蛄的運動估計、結構異同性進行設計，根據IT245國標旋耕刀的結構特征，將東方蟠蛄的前足爪趾輪廓曲線依次排列于正切刃與回轉半徑末端邊緣，設計一款仿生旋耕刀。設定在旋耕刀軸轉速為 150r/min 、 200r/min 、250r/min ，前進速度為 0.5m/s ，耕作深度為 100mm 的試驗條件下，分別運用EDEM軟件、土槽進行仿真分析和試驗，仿真結果表明，在同等條件下，仿生旋耕刀所受扭矩均比國際旋耕刀小，降低 4.89%～ 8.87% ;土槽試驗的結果印證仿真分析的結果，在土槽試驗中，相同條件下，仿生旋耕刀所受的平均扭矩比國際旋耕刀降低 3.49%～10.53% ，結果表明：通過將爪趾輪廓曲線應用于正切刃與回轉半徑末端邊緣，仿生旋耕刀的設計更符合東方鱗蛄前足爪趾的挖土性能，能夠改善旋耕時旋耕刀與土壤的摩擦條件，降低耕作阻力，減少旋耕刀的磨損，節約資源，同時也提高農業觸土機具的使用壽命。Zhang等[20通過立體鏡對蜣螂前腿末端的幾何結構觀察和研究，用MATLAB軟件對蜣螂前腿末端的照片通過二值化后二維點云的邊緣檢測的方法，得到蜣螂前腿末端外輪廓曲線特征，設計一種仿生壓印齒輪，用超高分子聚乙烯（UHMEWPE）將其制造出來，并與傳統齒輪在含水率為 12.34% 、平均堆積密度為 1200kg/m³ 的土槽中，在前進速度為1m/s ，壓印齒輪載重分別為空載、 200N.250N 300N，350N，400N 的條件下進行牽引力對比試驗，結果表明：在同等載荷和土壤情況下，仿生齒輪相比傳統齒輪可以降低 9.5%～16.5% 的牽引力。

構型仿生在農業中的研究和應用主要關注掘土動物的爪趾結構，這些動物包括穿山甲、螻蛄和鼠類等。仔細觀察這些動物的爪趾，發現它們大多呈現一定的弧度。構型仿生在農業觸土機具中的應用，主要是通過提取掘土動物爪趾的“弧度\"結構特征和參數，將其應用于農業觸土機具的外形輪廓或刀刃曲線，以降低耕作阻力并節約能耗。其實質是通過模仿掘土動物爪趾的曲線輪廓，優化農業觸土機具的入土角度，從而減小耕作阻力，然而在減少土壤對農業觸土機具的磨損方面的幫助較小。

2.2表面微結構仿生

表面微結構仿生是將生活在土壤內部或土壤表面動物體表的微結構移植到農業觸土部件表面，以優化土壤與農業觸土機具摩擦學條件，從而減少農業觸土機具磨損。這些微結構大致可以分為剛毛型（蟠蛄等）凹坑型（蜣螂等）凸包型（螳螂頭部等）和波紋型（蚯蚓等）。現今減阻抗磨的研究中主要以凹坑型、凸包型和溝槽型為主，剛毛型微結構一方面較難加工且多半呈現較強的黏附性，另一方面細密的剛毛微結構增大接觸面積的同時還增加表面的粗糙度，較大提高表面的黏附力和附著力。在4種微結構中減阻抗磨特性最好的是波紋型，凹坑型次之，這2種類型的表面仿生如今應用最為廣泛[21]。

農業觸土機具在干燥土壤地塊工作時，其摩擦副為干摩擦，長時間的干摩擦會大大減低機具的壽命，若摩擦副的表面存在微結構，夾在觸土機構和耕作土壤之間作為自由磨粒的石塊、砂礫等，會被表面微結構存儲，從而延長農業觸土機具的使用壽命；當農業觸土機具在水田、稻田等地塊工作時，其摩擦副為邊界潤滑，微結構可以存儲水，當農業觸土機具被土壤擠壓的時候，存儲在微結構中的水就會被擠出，實現二次潤滑，從而減小摩擦，大大提高機具的工作壽命。

Li等[22]受到穿山甲鱗片的啟發，將穿山甲的單鱗片狀結構應用于馬鈴薯挖掘鏟，設計出一款適用于黏土地區的仿生凸包型的馬鈴薯挖掘鏟（圖2），在EDEM軟件上反復進行仿真，從而得到最佳減阻仿生馬鈴薯挖掘鏟的結構，采用數控機床加工出挖掘鏟底座，將具有最佳減阻性能的仿生結構（ 135mm 、168mm，6.5mm 用3D打印的方法加工到挖掘鏟底座上，再與普通平面鏟進行土槽對比試驗和田間對比試驗。在土壤壓實度指數為 38±5 psi、土壤含水率為27.5%±2.5% 、耕作深度為 20±2cm 、耕作速度為0.84m/s 的條件下進行土槽試驗，在土壤壓實度指數為 86±5psi. 土壤含水率為 55%±5% 、耕作深度為20±2cm 、耕作速度為 1.8m/s 的條件下進行田間對比試驗，結果表明：該仿生馬鈴薯挖掘鏟在土槽試驗中減阻率達到 22.26% ，在田間試驗中減阻率達到14.19% 。這一數據充分證明，這種穿山甲鱗片結構的仿生馬鈴薯挖掘鏟設計是可行的，能有效降低農業觸土機具與土壤之間的耕作阻力。凸包型仿生微結構能夠改善農業觸土機具與土壤的摩擦條件，達到減小摩擦、降低磨損、節約資源的目的。

圖2仿生馬鈴薯挖掘鏟（凸包型） Fig.2 Biomimetic potato digging shovel （convex hull）

此外，Zhang等[23]對鯊魚鱗片和荷葉的微凸結構進行整合，進而設計出具有抗粘連和降低阻力的仿生凸包型起壟鏟。有學者通過試驗進一步驗證李建橋等[12]觀察蜣螂等掘土動物的減黏減阻和脫附效應這一研究結果，發現仿生非光滑犁壁相比傳統犁壁具有減阻、脫附的效果，其受蜣螂體表外骨骼上的凹坑結構啟發，在傳統犁的表面制造具有一定排列規律的凹坑，當耕深為 150mm 、耕寬為 180mm 、耕作速度為 0.7～ 0.83m/s 時，在統一拖拉機牽引下對仿生犁和傳統犁進行水田田間對比試驗，結果表明：與普通光滑犁壁相比，仿生非光滑（凹坑型）犁壁的減阻率提高 7.88%～ 13.46% ，翻垡好、碎土率高，仿生非光滑犁壁通過在普通犁壁表面規律地分布具有特殊幾何形狀的結構單元體，使運動的土壤前緣改變運動方向，從而減少切向黏附力，產生法向分力，形成微振動，并使黏附界面水膜呈不連續分布。這種設計較好地解決觸土機械工作部件的王壤黏附問題，并能夠顯著降低水田犁耕過程中的耕作阻力。而且凹坑型的仿生微結構在水潤滑狀態下，凹坑具有存儲水的功能，在耕作時能夠提供二次潤滑，改善耕作面與土壤的摩擦條件，達到減小摩擦力的目的，延長犁的使用壽命。

Massah等[24]受到鼠婦背部層狀結構啟發，將鼠婦體表的層狀結構應用于耕作刀片上，分別制得不連續仿生耕作刀片和連續仿生耕作刀片，再通過與無仿生的耕作刀片在干濕土壤中進行土槽對比試驗，其中濕土的含水率為 34.3% ，耕作速度分別為 0.01m/s 、 ，最小耕作深度為 150mm ，結果表明：仿生耕作刀片的耕作阻力比無仿生耕作刀片的耕作阻力低，其中連續仿生耕作刀片減阻性能最佳，尤其在濕潤的土壤中，在耕作速度為 0.02m/s 和0.04m/s 時，耕作能耗分別降低 66% 和 83% 。此外，還發現通過提高耕作速度可以降低耕作刀片的切削耗能。邱兆美等[25]通過對蚯蚓在土壤中穿行過程的研究，結合蚯蚓體表的波紋幾何非光滑表面9，發現蚯蚓在土壤中穿行時，其身體上的波紋非光滑表面與土壤實際的接觸面積小于光滑表面與土壤接觸的實際面積，然后設計兩種波紋型深松鏟，一種橫向波紋，另一種縱向波紋，并且對兩種波紋型深松鏟進行對比分析，結果表明：橫向波紋的接觸面減阻抗磨效果更好。仿生橫向波紋型深松鏟更符合蚯蚓波紋形碎土特性以及減黏減阻特性，傳統深松鏟工作時，土壤與深松鏟接觸面之間的摩擦多為滑動摩擦，而當使用橫向波紋型深松鏟時，深松鏟上的波紋狀結構將土壤和深松鏟接觸面之間的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，從而減少了土壤與觸土曲面之間的接觸時間和接觸面積，以達到減阻的效果。所以當波紋形結構方向垂直于切土方向時所達到的減阻抗磨效果要優于平行切土方向的波紋結構。

表面仿生微結構的仿生樣本繁多，即使是同一個樣本下，僅需調整其中一條參數，如排列方式、單個微結構大小等，都能得到不同的試驗結論，因此，在農業觸土機具減阻抗磨的應用中，表面仿生微結構被廣泛應用，且最常見于犁、鏟、開溝器、旋耕刀片等農業觸土器具上。目前，這類農業觸土機具表面的仿生研究主要集中于主工作面上，例如鏟面、犁鏵、犁壁等，相比之下，在非主工作面的研究較少，例如深松鏟鏟柱、旋耕刀刀身等。

表面微結構仿生在農業中的研究和應用主要是將動物體表的微結構移植到農業觸土機具觸土表面，以優化土壤與農業觸土機具的摩擦學性質，達到減小磨損的目的，但對于減少土壤對機具的耕作阻力作用不佳。然而構型仿生主要目的是降低耕作阻力，因此，在后續的研究中可以將兩者結合到一起，以進行優勢互補，使之達到既能減小農業觸土機具的耕作阻力，又能增加其耐磨性能，延長使用時間。

2.3 柔性仿生

農業生產活動中，工具的應用是不可或缺的，經過長時間的演變，農具也在不斷發展，在現代農業生產活動中，各種仿生工具隨處可見，但觸土機具大多數都是一些“硬\"仿生的應用，柔性仿生的應用較少。大部分觸土機具的柔性仿生都應用在鎮壓輥上。

在鎮壓輥上，柔性仿生是通過柔性仿生材料自身的扭曲變形、相對運動，使得與其接觸或者附著的土壤因失去黏附力而落下，從而達到脫附、減阻的目的。Ren等[26采用田鼠毛和野兔毛等動物體表與45鋼做土壤黏附力的對比試驗，結果表明，田鼠毛和野兔毛的附著力較小，柔性材料具有一定的柔韌性，對降低土壤的附著力有著很好的作用。綜上，柔性仿生在農業生產工具中的應用具有很大的潛力，對提高農業生產效率、降低土壤附著力等具有重要意義。

鎮壓輥是在農業耕種過程中常見的一種觸土機具，主要用于壓實播種作業后的土壤。播種后適當的鎮壓是非常有必要的，不僅能提高出苗率，還能提高農作物的產量[27]?；?Ren^[28] 觀察到的典型掘土動物蚯蚓的體表形貌屬于非光滑波紋形，其主要特征是它的身體由許多體節構成，蠕動過程中受到土壤壓力，在縱向肌肉收縮力的作用下，體節發生扭曲變形、相對運動和振動，使與其粘結的土壤被脫離。賈洪雷等[15]采用橡膠的彈性來模仿蚯蚓縱向肌肉收縮，設計一款仿生鎮壓輥，再通過土槽試驗和田間試驗不斷進行優化設計，結果表明：該仿生鎮壓輥黏附土壤量平均值為31.2g ，滑移率為 3.89% ，分別比沒有減黏、防滑結構的鎮壓輥降低 60.1% 和 54.3% 。采用橡膠來模仿蚯蚓身體柔性設計出來的鎮壓輥，巧妙地將橡膠與鎮壓輥相結合，相比剛性材料，土壤不易在其表面附著，可以有效地減少鎮壓輥黏附的土壤量并降低滑移率，從而達到減阻、減黏的目的。張清珠29根據臭蜣螂的腹側面的幾何結構，設計9種仿生肋條型幾何結構鎮壓輥，結果表明：相比傳統的鎮壓輥，9種仿生肋條型幾何結構鎮壓輥減黏率最高為 41.20% ，減阻率為39.40% 。柔性仿生鎮壓錕的減黏、減阻效果要遠遠高于傳統硬質的鎮壓錕。

柔性仿生在農業觸土機具上的應用并不多，主要原因：首先，農業觸土機具的工作環境較為惡劣，土壤中常常夾雜碎石、植物根莖，甚至還有藥瓶、地膜、農機上脫落的金屬零件等農業廢棄物，在這種情況下，如果使用柔性材料，將會大大增加農業觸土機具的磨損。其次，現有的柔性材料往往硬度較低，如橡膠、聚丙乙烯、聚乙烯等，即使存在如鎳鈦合金等高硬度、高韌性的金屬，但就其價格而言，用于農業觸土機具并不經濟。因此，柔性仿生在農業觸土機具上的應用還需要進一步探索和研究。

2.4耦合仿生

隨著農業仿生技術的不斷發展，單一的仿生已經不能滿足農業生產的需要，因此，耦合仿生應運而生。耦合仿生結合構型仿生、表面微結構仿生、柔性仿生、氣壓深松、電滲等多種技術，以達到更高效的減阻抗磨應用。

生物作為一個有機整體，具有高度的自適應性、協調性和控制能力。掘土動物之所以能夠實現優異的脫附減阻功能，正是這些因素相互作用的結果。不同的生物在不同的生活環境中，不僅其脫附減阻方式的調控程度會有所不同，而且脫附減阻的對象（土壤）也會存在差異，這些都是仿生研究的天然藍本。對于仿生脫附減阻，人們可以獨立模仿生物脫附的某一方面或某一因素，也可以同時模擬生物脫附的多個方面或多個因素，這就是耦合仿生的特點，通過綜合運用不同的仿生技術，耦合仿生旨在實現更高效、更實用的農業觸土機具減阻、抗磨功能。

王立冬[30]將狗獾爪趾特征曲線和穿山甲鱗片表面結構特征進行耦合，得到6種不同型號的雙耦合仿生減阻深松鏟，通過EDEM仿真受力分析得到4種減阻效果較好的雙耦合仿生減阻深松鏟，再在耕深為30cm 、 50cm ，耕作速度為 3.6km/h，5.2km/h 6.2km/h 的試驗條件下，通過田間試驗與國標深松鏟進行耕作阻力對比，仿生深松鏟的平均耕作阻力都要比國標深松鏟減少 6.37%～27.39% ，其中F5-40型雙耦合仿生減阻深松鏟減阻效果最佳，在 30cm 和35cm 耕深下平均減阻率分別為 17.42%.27.24% 研究表明：單一的仿生深松鏟的減阻效果沒有耦合仿生的減阻效果好。

姜嘉胤等[31]對鼴鼠爪趾趾尖、趾廓進行掃描和特征選擇，將起主要入土作用的第三趾的趾尖和趾廓利用MATLAB進行特征擬合，得到3種仿生鏟：趾尖仿生鏟（表面微結構仿生）趾廓仿生鏟（構型仿生）和復合仿生鏟，然后在EDEM軟件中采用Ptyondy等[2提出的Hertz—Mindinwithbonding模型，在耕深為10cm 和 8cm ，驅動臂轉速為 180^°/s.270^°/s.360^°/s 的耕作條件下進行離散元仿真，趾廓仿生鏟的平均扭矩減少 34.06%～39.29% ，平均能耗減小 29.02%～ 39.29% ；趾尖仿生鏟平均扭矩減少 1.72%～5.04% 平均能耗減少 1.58%～4.84% ;而復合仿生鏟的平均扭矩減小比例和功耗減小比例最高，分別為 36.63%～ 42.06%.30.84%～38.15% 。研究表明：趾尖和趾廓的減阻效果可以疊加，復合后的仿生特征有更好的減阻效果。Wang等[33通過研究蜣螂頭部的凸起結構和穿山甲背鱗的凸出結構，將兩者在圓盤開溝器上進行環狀交替耦合設計9種不同排列的仿生耦合圓盤開溝器，運用EDEM軟件對9種仿生耦合圓盤開溝器和普通平板開溝器在耕作速度分別為 0.6m/s.1.0m/s 1.4m/s ，耕作深度為 70mm 的試驗條件下進行對比仿真分析，其中仿生耦合圓盤開溝器DISC3的耕作阻力最小，為 260.2N ，反觀普通平板開溝器DISC10的耕作阻力為476.7N，相比之下仿生耦合圓盤開溝器減小約 45.42% 的耕作阻力，結果表明：仿生耦合圓盤開溝器的耕作阻力明顯小于普通平板開溝器。仿生耦合元件在圓盤上的適當排列是仿生效果的重要控制因素。如果排列的單元數太少，大部分土壤與圓盤接觸，有限的凸度阻礙土壤運動，增加犁溝阻力。如果排列的單元數過多，則水分張力幾乎不變，接觸界面的水膜更容易連續，不利于降低耕作阻力[34]。

通過結合構型仿生的爪趾輪廓曲線，提高農業觸土機具入土效率，同時結合表面微結構仿生，還能降低耕作阻力、減少機具磨損。耦合仿生不應只限于構型仿生、表面微結構仿生、柔性仿生相擬合，還可以與氣壓深松、電滲等技術相結合。

趙永來等35基于丹麥某公司研制的深松機，通過分析海豚胸鰭、背鰭幾何結構特征，將海豚流線型鰭結構特征曲線應用在深松鏟的優化設計當中，再將仿生海豚深松鏟與氣壓式深松技術相耦合，分析高壓氣體與仿生相互耦合機理，為耦合式仿生深松鏟的研制及推廣提供科學依據。Ren等[36]受到蚯蚓皮膚上的生物電行為啟發，發現蚯蚓在接觸土壤時會產生負動作電位。當蚯蚓在土壤中移動時，其身體通過交替收縮形成電勢差，導致體表水膜厚度的變化。通過巧妙地結合表面微結構仿生中的凸包形結構和表面電滲，研究團隊設計了一種具有凸包結構與電滲相耦合的仿生電滲推土板。在這個設計中，凸包充當正極，其直徑為30mm ，高度為 2mm ，而推土板的其他表面則作為負極，負極與正極面積比為 1：9 。試驗時采用含水率為23.5% 的黃黏土，在裝載機工作時同時在推土板上施加 12V 的電滲電壓和0.12A的電流，持續 30s ，在未使用耦合仿生電滲技術時，推土板表面土壤黏附的面積約為 60% ，使用耦合仿生電滲技術后，推土板上土壤附著面積大大下降，約為 10% ，該設計有效降低了推土鏟表面土壤的黏附，結果表明：仿生電滲技術同樣能夠成功地減少土壤黏附，從而減阻抗磨。

在面對復雜且惡劣的耕作環境時，耦合仿生技術在農業觸土機具表面減阻抗磨方面展現出極大的潛力。這種創新的耦合仿生方法必將成為農業觸土機具表面減阻抗磨研究的核心關注點。隨著種植條件的下限不斷刷新，耦合仿生的引入為提高農業觸土機具的性能和耐久性提供全新的可能性。這一研究方向的推進為農業生產提供更可靠、高效的工具，以更好地適應各種復雜的耕作環境，推動現代農業技術的不斷進步。

3 討論

梳理和分析現有文獻，對4種仿生類型從仿生部位、減阻抗磨原理、加工形式（材料）、優點以及存在問題進行總結對比，如表1所示。

表1觸土機具仿生類型對比 Tab.1 Comparison of bionic types of earth-touching implements

由表1可以看出，4種仿生減阻抗磨技術在農業觸土機具上的應用，均可起到降低耕作磨損、耕作阻力的作用，從而達到延長農業觸土機具的使用壽命、提高農業生產的效率等目的。通過構型仿生、表面微結構仿生以及柔性仿生的對比分析可知，在后續農業觸土機具減阻抗磨的研究中單一技術的應用已不能滿足需求，應偏向于多種減阻抗磨方法的耦合應用。

目前，構型仿生種最容易出現爭議的部分是掘土動物的爪趾曲線的提取部分，有的掘土動物的爪趾比較大且厚，例如穿山甲、食蟻獸等，這導致其內、外輪廓曲線的人土角度存在很大差異，對此選用哪一條輪廓曲線，以掘土動物的掘土方式和所應用機具的掘土方式而定。例如，所應用機具為旋耕刀時，由于其工作軌跡與穿山甲爪趾入土軌跡很相似，就可以考慮采用內輪廓曲線來優化旋耕刀；而犁、深松鏟等工作軌跡與穿山甲爪趾入王向后刨土的軌跡很相似，就可以考慮采用外輪廓曲線來對其進行優化；在表面微結構仿生設計中，有些仿生對象的體表微結構比較微小，如果直接應用于農業觸土機具表面可能過于微小，此時可以充分利用仿生學中的等比例縮放法，將掘土動物體表的微結構進行等比例放大；柔性仿生的最大問題在于大多數柔性材料硬度較低，對農業觸土機具惡劣的工作環境而言，重點在保證工作效率的同時延長其使用壽命;耦合仿生是4種仿生減阻抗磨類型中效果最佳的，但其所運用的仿生技術也是最多的，很多時候需要多學科相互配合，因此其研究應用最難，但發展前景最好。

4結語

目前，大部分有關農業觸土機具減阻抗磨的研究類型都比較單一，隨著農業的高速發展，耕種地塊已經有逐步向坡地、山地、丘陵等環境復雜地塊深入的趨勢，單一的仿生減阻抗磨已不能完全滿足現今高速發展的農業需求。結合現有單一仿生類型研究方向、成果都比較多的現狀，在后續的研究中應秉承優勢互補的原則，充分發揮主觀能動性，想獲得最佳的減阻抗磨性能，不應該局限于不同減阻抗磨仿生類型的相互耦合，可以與其他的減阻抗磨技術相耦合，合理運用不同類型的減阻抗磨技術，力求最大程度上將各種減磨抗阻技術利用到極致。此外，還應該探討如何從優化現有仿生設計、提高仿生機具的耐用性和效率、降低生產成本等方面出發，將這些技術更廣泛地應用于農業生產中。

1）在后續的研究中充分利用構型仿生和表面微結構仿生的優缺點互補，將減阻和抗磨的設計一并應用到農業觸土機具的設計中，提高其減阻抗磨性能，達到提高農業生產率、降低能源消耗、助力可持續農業的發展的目的。例如在柔性仿生設計中，可以與表面微結構仿生相結合，從一定程度上減少柔性仿生設計不耐磨的問題。

2）由于不同生物所處的生存環境各異，它們各自進化出的減磨、減阻機制也適應于特定的環境條件。在優化現有的仿生設計時，應該深入研究仿生對象的生活環境，并確保其與農業機械的工作環境相匹配。通過這種方式，可以提高農業觸土機械的適用性，使其能夠更好地適應各種耕作環境，從而實現更好的性能表現。

3）盡管目前已經開發出多種減少農業機械與土壤接觸時的磨損和阻力的技術，但這些方法仍然無法完全滿足耕作的需求。因此，可以考慮采用一種不限于單一仿生耦合的多重耦合策略，即將多種減阻抗磨技術相結合，例如將“構型仿生\"與“氣壓深松\"相結合，或者將“表面微結構仿生”與“電滲\"相結合。這種多重耦合的方法可能會產生意想不到的減阻抗磨效果，從而為農業機械的使用提供更加高效和可靠的支持。

4）提高農業生產效率和觸土機具性能的同時，應關注到土壤過度開墾所帶來的土層破壞、土壤板結、鹽堿化、水土流失等現實問題，從優化仿生設計、仿生材料創新等角度出發，以減少農業機械對土壤結構的破壞、降低對生態環境的負面影響為目的，從而促進農業的可持續發展。

5）對農業觸土機具的減阻抗磨研究，其本質是延長農業觸土機械的使用壽命，針對農業觸土機具使用者大多缺少機具的維護知識的現狀，可以通過優化農業觸土機具的結構、表面性質等技術，從而降低農業觸土機具的維護成本，也是增加農業觸土機具使用壽命的一種有效途徑。

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