農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的工程仿生研究概況與應(yīng)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(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的工程仿生研究概況與應(yīng)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(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，基于昆蟲脫附減阻規(guī)律與食蟲植物捕食現(xiàn)象的研究逐步形成應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的工程仿生技術(shù)。本文從仿生農(nóng)業(yè)機械脫附減阻及致災農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板仿生制備的研究現(xiàn)狀入手，主要分析了典型動植物非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)對生理功能特性的表現(xiàn)規(guī)律與機理，闡述了工程仿生學在農(nóng)業(yè)耕種機械及蟲害機械化捕集防治領(lǐng)域的應(yīng)用研究概況，并分析了工程仿生領(lǐng)域潛在的研究方向與發(fā)展前景。

工程仿生；農(nóng)業(yè)機械；脫附降阻；豬籠草葉籠滑移區(qū)；昆蟲滑移捕集滑板

農(nóng)作物的耕種與蟲害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中兩個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在農(nóng)作物耕種過程中，農(nóng)業(yè)耕種機械觸土部件與土壤接觸時產(chǎn)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(nóng)業(yè)機械作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量和使用壽命，增加能源消耗。目前，對于農(nóng)業(yè)蟲害的防治主要采用噴施農(nóng)藥的方法，在快速有效滅殺農(nóng)業(yè)害蟲的同時也造成了毒素在農(nóng)產(chǎn)品與生態(tài)環(huán)境的殘留與積淀，破壞生態(tài)系統(tǒng)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(shù)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(nèi)外眾多學者采用工程仿生理論、技術(shù)與方法等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域出現(xiàn)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(jīng)過數(shù)以億萬年的生存競爭與進化，形成了優(yōu)異的幾何體形結(jié)構(gòu)、功能豐富的表面非光滑織構(gòu)、巧妙的材料拓撲等高度適應(yīng)環(huán)境的生理特性，使運動的平穩(wěn)性、靈活性、能量利用高效性等方面明顯優(yōu)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出對生存環(huán)境中潮濕土壤的不沾染特性，啟發(fā)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(shè)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(jié)構(gòu)控制著與土壤的摩擦力大小，據(jù)此開展了仿生柔性鎮(zhèn)壓輥的研制，進而調(diào)整所壓實土壤的堅實度，改善作業(yè)質(zhì)量。豬籠草葉籠滑移區(qū)因表面微小褶皺及微納米尺度的片狀蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)而對昆蟲附著系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的滑移功能，已據(jù)此開展致災農(nóng)業(yè)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(jié)構(gòu)、功能特性所蘊含的物質(zhì)、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(tài)結(jié)構(gòu)對生理功能特性的表現(xiàn)規(guī)律與機理，有助于以仿生農(nóng)業(yè)機械方式解決農(nóng)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(shù)的發(fā)展。本文綜述了工程仿生在農(nóng)業(yè)耕種機械及蟲害機械化捕集防治領(lǐng)域的應(yīng)用研究概況，并分析了其在該領(lǐng)域潛在的研究方向與發(fā)展前景。

1 土壤動物蜣螂的減阻理論及其仿生應(yīng)用

農(nóng)作物耕作過程中，土壤是各類農(nóng)業(yè)機械必定會接觸到的黏附介質(zhì)，其黏性受地域、季節(jié)、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(chǎn)生黏附現(xiàn)象，表現(xiàn)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(xiàn)象往往會降低農(nóng)業(yè)機具的作業(yè)性能并增加作業(yè)功耗——傳統(tǒng)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(nèi)外學者致力研究和力圖解決的問題。目前減黏脫土的實現(xiàn)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(yīng)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(huán)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(shù)動植物經(jīng)過億萬年的進化，表現(xiàn)出能夠適應(yīng)黏濕環(huán)境的優(yōu)良減黏降阻和脫附現(xiàn)象。蝴蝶等昆蟲的翅面、海鷗等鳥類羽毛因其特殊的表面結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的疏水減黏功能，荷葉等植物葉片具有優(yōu)異的自潔功能。蜣螂、螻蛄、穿山甲等具有優(yōu)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(tài)(如圖1所示)，使其生活在黏濕環(huán)境中運動自如而不粘土。研究表明，土壤動物具有優(yōu)異的減黏脫土性能，主要是因其自身特殊的表面結(jié)構(gòu)[5-6]。

圖1 典型土壤動物的非光滑形態(tài)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(fā)現(xiàn)其體表具有奇特的非光滑結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為頭部呈現(xiàn)凸起及前胸背板處呈現(xiàn)凹陷，雄性蜣螂表現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(gòu)成了與泥土接觸的柔性界面。由于爪的支撐和胸節(jié)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(gòu)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(jié)構(gòu)Fig.2 Surface micro-structure of Dung beetle surface

1.2減黏降阻推土板仿生設(shè)計

在表面仿生改形設(shè)計方面，利用蜣螂減黏降阻的表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合推土板與土壤相互作用過程中的界面接觸狀態(tài)、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(jié)構(gòu)的形狀、數(shù)量、幾何尺寸及分布。球面與其他形狀表面相比最不易產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，非光滑凸起數(shù)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(chǎn)生擺動及附加阻力[9]。利用蜣螂表面減黏結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，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(jù)蜣螂優(yōu)良的表面脫附減阻結(jié)構(gòu)，仿生設(shè)計制備具有較好脫附減阻性能推土板(見圖3)的研究已經(jīng)開展。利用激光重熔加工技術(shù)，在不銹鋼推土板表面仿生制備了蜣螂表面結(jié)構(gòu)[14]，獲得了較為理想的微觀結(jié)構(gòu)變化和常規(guī)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(jié)束后，非光滑表面凸起結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)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(guī)范化設(shè)計[20]，得到具有最優(yōu)降阻功能的非光滑表面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)成為目前研究的一個重要方面。

2 豬籠草葉籠滑移區(qū)減附機理及其仿生應(yīng)用

對于蛾類、蝗蟲等致災農(nóng)業(yè)昆蟲的防治是一項保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)順利進行的關(guān)鍵措施。目前普遍采用噴施化學農(nóng)藥來實現(xiàn)對致災農(nóng)業(yè)害蟲的治理，但其在快速有效滅殺農(nóng)業(yè)害蟲的同時也造成了毒素在農(nóng)產(chǎn)品與生態(tài)環(huán)境的殘留與積淀，嚴重破壞了生態(tài)系統(tǒng)的平衡并威脅人類的健康。在此背景下，基于致災農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集技術(shù)已被提出。

2.1蝗蟲的趨光特性與光電誘導捕集技術(shù)

絕大多數(shù)致災農(nóng)業(yè)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(yīng)，并表現(xiàn)出對刺激光源的趨向特性。趨光特性是具有復眼結(jié)構(gòu)夜行昆蟲經(jīng)長期自然進化形成的對環(huán)境高度適應(yīng)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(jié)。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(qū)而導致趨光行為的產(chǎn)生；光定向假說則認為夜行昆蟲把光源當作定向?qū)Ш降膮⒄瘴?，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(xiàn)的亞洲小車蝗遠距離遷飛現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)出較為明顯的趨光反應(yīng)[22]；特定頻率的頻閃光源也會明顯增強蝗蟲的趨光響應(yīng)[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(gòu)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(gòu); 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(shù)已被提出。該技術(shù)設(shè)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(shè)置捕集滑板及附屬機構(gòu)使誘集蝗蟲滑移至蝗蟲收集裝置(如圖4所示)，從而實現(xiàn)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(tǒng)而能夠與絕大多數(shù)附著物表面形成機械鎖合與柔性接觸雙重作用，實現(xiàn)穩(wěn)固附著或自如行走[26]。因此，有必要研制具有特殊表面結(jié)構(gòu)的捕集滑板，使蝗蟲附著系統(tǒng)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(xiàn)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(qū)和消化區(qū)等4部分組成[29]，如圖5所示。其中，滑移區(qū)表面具有蠟質(zhì)晶體層和月骨體，能使絕大多數(shù)昆蟲的附著系統(tǒng)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(qū)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structures of Nepenthes pitchers

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

圖6 豬籠草葉籠滑移區(qū)表面微結(jié)構(gòu) Fig.6 Surface micro-structure of Nepenthes pitchers

豬籠草葉籠對昆蟲的引誘捕獲規(guī)律，以及昆蟲在葉籠表面的滑移行為表現(xiàn)規(guī)律成為近幾年的研究熱點。葉籠滑移區(qū)對昆蟲的捕獲及防止獵物逃脫是通過表面結(jié)構(gòu)的蠟質(zhì)晶體、月骨體對昆蟲附著系統(tǒng)正常附著功能的限制來實現(xiàn)的。對昆蟲在豬籠草葉籠滑移區(qū)滑移行為的研究結(jié)果表明，由于具有各向異性結(jié)構(gòu)的蠟質(zhì)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(qū)表面行走，更不能起飛?；茀^(qū)表面的特殊結(jié)構(gòu)使蒼蠅附著系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)滑移區(qū)頂層蠟質(zhì)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(zhì)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(zhì)晶體對爪墊的影響，忽略了滑移區(qū)的月骨體、昆蟲附著系統(tǒng)的爪，屬于單重一元結(jié)構(gòu)相互影響的研究，其結(jié)果對于全面揭示滑移區(qū)對昆蟲附著系統(tǒng)的影響規(guī)律具有局限性。SCHOLZ等觀察了竹節(jié)蟲、螞蟻在豬籠草葉籠滑移區(qū)的爬行行為并測試了摩擦力，指出滑移區(qū)表面粗糙度是昆蟲附著功能降低的主因[35]。SCHOLZ的研究結(jié)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(qū)的摩擦力，指出滑移區(qū)表面結(jié)構(gòu)參數(shù)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(qū)對昆蟲附著系統(tǒng)的影響機理是獲得滑移區(qū)工程仿生學應(yīng)用的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)?；茀^(qū)對昆蟲附著系統(tǒng)的影響規(guī)律的研究雖已開展，但未形成明確、普適的結(jié)論，仍需要繼續(xù)開展大量的研究工作，尤其是在同時考慮滑移區(qū)的蠟質(zhì)晶體、月骨體和昆蟲附著系統(tǒng)的爪、爪墊雙重二元結(jié)構(gòu)相互影響的前提下，綜合揭示滑移區(qū)對昆蟲附著系統(tǒng)的減附機理。

若要獲取基于豬籠草葉籠滑移區(qū)仿生研制蝗蟲滑移捕集滑板的良好效果，需在工程應(yīng)用背景下，依據(jù)仿生工程學原理，綜合研究葉籠滑移區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理性質(zhì)對昆蟲附著系統(tǒng)的影響規(guī)律、滑移功能差異量化表征等，闡明雙重二元結(jié)構(gòu)前提下的減附機理，并據(jù)此有效構(gòu)建致災農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板表面微結(jié)構(gòu)。

2.3災害蝗蟲滑移捕集滑板的仿生設(shè)計與制備

基于葉籠滑移區(qū)表面形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)與反附著機理的研究，初步仿生設(shè)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(qū)蠟質(zhì)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(tǒng)，進行了滑移功能測試試驗。結(jié)果表明，捕集滑板具有與葉籠滑移區(qū)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(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板仿生設(shè)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(tǒng)表現(xiàn)出較好的滑移功能，但受到石墨與基板結(jié)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(xiàn)出良好的滑移功能，需在已有研究基礎(chǔ)上，以滑移區(qū)對昆蟲附著系統(tǒng)的影響機理為理論指導，從仿生工程學的角度出發(fā)，兼顧結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生，利用脫蠟鑄造技術(shù)(兩步成型法)或微納電火花加工技術(shù)仿生制備具有與滑移區(qū)表面微結(jié)構(gòu)高度類似的基板，提高石墨與基板的結(jié)合強度。

3 工程仿生在其他領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)，目前鉆井設(shè)備已經(jīng)很難滿足需求。雖然常規(guī)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(xiàn)諸如掉齒、耐磨性差、鉆頭壽命短等問題。有關(guān)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(jīng)受刺激出現(xiàn)的非光滑凸起、凹坑、溝槽等非光滑表面形態(tài)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(jīng)應(yīng)用到孕鑲金剛石鉆頭底唇基面的仿生設(shè)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(jié)構(gòu)仿生設(shè)計研究正處于起步階段。表面結(jié)構(gòu)設(shè)計加工成宏觀溝槽幾何形貌的剎車盤，其摩擦系數(shù)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(fā)，從仿生學角度探索剎車盤性能提高的手段措施和技術(shù)方法已開始受到關(guān)注。棲息于惡劣生存環(huán)境的甲蟲、蝗蟲等昆蟲經(jīng)漫長自然進化而具有優(yōu)異耐磨特性的體表，以此抵御生存環(huán)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(jié)構(gòu)的仿生設(shè)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(jié)構(gòu)間的耦合關(guān)系，建立具有較好耐磨特性剎車盤表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿生模型，利用激光加工技術(shù)加工具有一定幾何形態(tài)的硬質(zhì)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(yīng)用于軍事、國防、工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，利用鷹眼視網(wǎng)膜上的感光細胞對周圍亮度、方向、環(huán)境的敏感性，安裝有仿鷹眼雷達系統(tǒng)的預警機的靈敏度和穩(wěn)定度有較大的提高[43]；根據(jù)海豚特殊皮膚結(jié)構(gòu)仿生設(shè)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(tài)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(jié)構(gòu)，其形態(tài)、密度、分布等的微小差別可產(chǎn)生不同的光學效應(yīng)而使鱗片呈現(xiàn)不同的顏色，其鱗片表面結(jié)構(gòu)規(guī)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(fā)的環(huán)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(tài)耦合仿生樣件，解決沖蝕磨損問題提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域普遍存在作業(yè)效率低、能源消耗大等問題，工程仿生技術(shù)基于動植物非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)對生理特性的表現(xiàn)規(guī)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(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出的在潮濕土壤中不沾染特性實現(xiàn)了仿生推土板的成功設(shè)計，以及因豬籠草葉籠滑移區(qū)表面微小褶皺及納米尺度的片狀蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)而對昆蟲表現(xiàn)出的良好滑移功能實現(xiàn)了致災農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板的仿生研制，均實現(xiàn)了良好的脫附效果。進一步明確非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變對脫附效果的影響規(guī)律，進行規(guī)范化仿生設(shè)計，得到最優(yōu)脫附降阻功能的非光滑表面設(shè)計參數(shù)將會促進農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的工程仿生技術(shù)的完善。對動植物非光滑表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及其相應(yīng)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(shù)的發(fā)展。

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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(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的工程仿生研究概況與應(yīng)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.