地面机械脱附减阻仿生研究进展

中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期:1353~1364www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS地面机械脱附减阻仿生研究进展任露泉吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,长春130022*E-mail:[e-mail]收稿日期:2008-07-01;接受日期:2008-07-25国家自然科学基金重点项目(批准号:59835200,50635030)、国家科技攻关项目(批准号:2005BA429C)和国家科技成果重点推广项目(批准号:2005EC000119)资助摘要机械仿生的理论研究具有重要的科学意义,仿生机械的研发在工程技术领域中有重要的应用价值.自然界的生物,在优胜劣汰的进化过程中,为了生存,必须造就适应环境、延续生命的本领.本文从地面机械脱附减阻的研究现状着手,结合吉林大学多年来在这一领域系列性的研究成果,介绍了土壤动物脱附减阻的基本原理,进而阐述了形态仿生、柔性仿生、电渗仿生、构形仿生,以及多元耦合(协同)仿生的原理与技术.最后介绍了工程仿生的应用研究,并指出这些理论具有广阔的发展前景.关键词地面机械脱附减阻仿生非光滑耦合地面机械,无论是在地面上行走的载运机械和军事车辆,还是以地表和土壤为作业对象的农业机械和铲运机械,其触土部件的脱附减阻一直是国内外许多学者致力研究的重要技术问题.尤其是土壤(旱田、水田)、滩涂、湿地、沼泽、雪地、沙漠等对车轮、履带和作业部件表面的粘附和阻力,严重影响机械的工作效率、使用寿命和作业质量,增大能量消耗,甚至使机械无法正常运行、作业.长期以来,国内外许多学者对这一领域的研究做出许多贡献.但因依据的是经典理论,采用的是传统方法,故在解决重大难题方面未见质的突破.自然界的生物,在优胜劣汰的进化过程中,为了生存,必须造就适应环境、延续生命的本领.俯瞰生活在黏湿土壤中各种动物,为何能活动自如而体表毫不粘土?从物质、能量和信息的多重作用切入,探索土壤动物这种遇黏不粘的优异功能,揭示其机理与规律,是地面机械脱附减阻研究的新途径.20世纪80年代初,原吉林工业大学(现吉林大学)的研究人员,受土壤动物遇黏不粘现象的启示,联合10多个专业的科技人员,系统地开展了土壤动物脱附减阻及机械仿生研究,现已形成了集科学研究、技术开发、成果转化、人才培养和学科建设于一体的地面机械脱附减1353任露泉:地面机械脱附减阻仿生研究进展1354阻仿生研究基地,并拓展到多种非土壤介质的多个仿生功能研究领域.1地面机械的粘附与阻力大量工农业生产实践和研究表明,土壤等黏湿物料的粘附严重影响和制约着众多工程领域的发展.在车辆工程领域,即使通过性能优良的越野汽车轮胎,在黏湿地带,也会因黏土的粘附和滞留变成光轮而失去行驶能力[1,2];在土方工程领域,土壤对装载机铲斗、挖掘机挖斗、自卸车车厢等工作部件的粘附积土量可达其斗(厢)额定容量的20%~50%[3],降低生产率30%[4,5];在农业工程领域,土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上[6,7],耕整机械能耗增加30%~50%[3,8],使播种机械减少出苗率5%~10%;在能源工程领域,煤矿矿车和发电厂斗轮机轮斗平均粘煤量可达其额定容量的40%,降低生产率30%~47%[9,10].因此,许多学者把土壤粘附问题视为地面运载、挖掘、耕作机械领域重大难题,竞相研究.自19世纪30年代开始[11],已在多方面取得可喜的进展.特别是进入20世纪以来,许多研究者从观察现象、总结实践和分析大量试验结果出发,对土壤粘附机理进行了广泛的探讨,提出了种种不同的理论和学说,从不同角度对土壤粘附现象进行诠释.例如,Fountaine(1954)的水分张力理论;钱定华(1965)的五层界面模型;Zisman(1968)、秋山丰等(1972)的毛细管理论;Вайбаков(1957)、Помапов(1973)等的合力模型和张际先(1985)的粘附界面分子模型理论等[12~16].这些理论和学说使人们对土壤粘附现象内在本质的认识不断深化,但在土壤粘附领域还有不少问题有待进一步探索.20世纪末至21世纪初,吉林大学的一些研究者,从不同侧面对土壤粘附机理进行了深入探索,取得了新的进展[2,17,18].与此同时,人们还围绕土壤、触土固体材料、粘附界面与试验条件4个方面,对土壤粘附的规律进行了大量的试验研究[19,20].吉林大学的研究人员还对在多因素作用下土壤粘附动态规律,进行了试验优化、分形分维、灰色关联和神经网络等多种方法的量化分析[21~23].土壤粘附机理与规律的研究进展,有力地促进了地面机械脱附减阻的研究.人们针对触土部件的结构特点和作业条件,开发了多种脱附减阻的新方法,如改善粘附界面的充气、充液和加热法,电渗法,机械法,表面改形与改性法等,但仍满足不了工程实际的需求.随着经济的发展和技术的进步,地面机械的种类和数量日益增多,应用范围日趋扩大,其触土部件的减粘脱附显得更为重要,各国进一步加强了脱附减阻理论研究与技术开发.俄罗斯重视行走机械和建筑工程机械的减粘研究;欧洲国家曾力图研制无粘附源的曲面铲斗;美国已将电渗电压降至45V.此外,日本正进行超声波减粘研究,美国利用激光进行表面清污,德国正研发新的防粘材料等.这些工作都将对把地面机械脱附减阻的研究推向更新、更高层次产生重要意义.地面机械触土部件的多样性,黏湿土壤的多变性,粘附界面的复杂性和粘附过程变化的随机性,使得脱附减阻的研究异常困难,研究任务还相当艰巨.随着科学技术的进步,机械仿生学显示出巨大的威力,日益被人们所重视.近年来,美国、欧盟等正将仿生改形技术应用于航空与航海;日本等国在致力于研究与开发仿生防粘剂;我国吉林大学正致力于土壤动物优异的遇黏不粘功能的仿生研究,开辟了脱附减阻研究一个崭新的领域,其研究成果展现了令人鼓舞的前景.中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期13552生物脱附减阻基本原理自然界中许多动物和植物,无论是生活在土壤中和陆地上,还是生活在水中和空中,虽然其生存条件差异很大,但其中绝大多数都会遇到粘附问题.它们经过亿万年在各自生存环境中的进化优化,逐渐具有各种特殊的防粘脱附功能.如蝴蝶等昆虫的翅面具有很好的疏水性;海绵、软珊瑚等水中动物可分泌防粘的化学防水剂;海鸥等鸟类羽毛特殊的几何结构具有优良的疏水减粘效果;荷叶、苇叶等植物叶片具有优异的自洁功能,等等.土壤环境中,生物的防粘减阻特性集中体现于土壤动物.在自然选择的影响下,土壤动物最能适应的种类,表现出有机体与其生存环境的高度统一.如软体动物蜗牛(Fruticicda),环节动物蚯蚓(Eiseniafoetida),节肢动物蝼蛄(Gryllotalpa)、蚂蚁(Formicidae)及蜣螂(CatharsiusmolossusL.),哺乳动物穿山甲(Manispentadactyla)等,却完全适应黏湿的土壤条件,活动自如而毫不粘土.土壤动物不仅行走和“工作”(如掘土、挖土等)两部分都具有明显的脱附减阻功能,而且其整个体表或全身都有脱附减阻的能力.研究表明[17,24],土壤动物的这一特殊功能,是多个因素协同作用的结果,包括生物的形体、形态、结构、构成(或材料、组成)、柔性、电渗、润滑及其协同、耦合、复合、嵌合等.上述因素以及它们间的相互协同作用,形成了生物体自身具有的主动脱附减阻功能特性.生物非光滑.土壤动物体表普遍存在几何非光滑特征[25~27],即一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于体表某些部位,结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等,如图1所示.同一土壤动物体表不同部位呈现的几何非光滑形态各异,这与土壤动物对环境适应的生物进化过程,特别是与不同部位的触土方式有关.几何非光滑结构单元在力学特性上可表现为刚性的、弹性的或柔性的.在尺度上,也有所不同,可分为宏观非光滑和微观非光滑.土壤动物非光滑体表的减粘降阻功能特性可通过数学模型表达[28],其非光滑体图1土壤动物体表的非光滑形态(a)蜣螂头部(凸包形);(b)步甲胸节背板(凹坑形);(c)蚂蚁腹部(鳞片形);(d)蝼蛄背板(刚毛形);(e)陆甲鄂部(波纹形)任露泉:地面机械脱附减阻仿生研究进展1356表与土壤相互作用可产生微振效应、水膜不连续效应和界面空气膜效应,不仅使粘附界面产生一定频率和振幅的微动,减少与土壤的接触面积和静接触时间,还使粘附界面的水膜呈不连续分布,使动物体表与土壤间产生局部空气膜,从而减小土壤与动物非光滑体表的粘附力和摩擦力.生物柔性.田鼠(Microtus)、蛴螬(Holotrichiadiomphalia)等土壤动物体表具有柔性[3],呈现出一维、二维和三维的多种柔形,使生物体本身的不同部分,可进行非线性大变形,并能在外力作用下恢复原形,如图2(a)所示.生物柔层还会储流通流,造成土壤对柔性表面无法压实,降低负压,有效减少柔性表面的任一接触单元与土壤之间的连续接触时间,使粘附界面的粘附力减小;并通过柔性单元的相互揉动、移动、转动、振动和波动等,使与其粘结的土壤被脱离.生物柔性变形还会吸收一部分能量,使系统中用于粘附与摩擦的能量减少,从而减小柔性体表的滑动阻力,如图2(b)所示.图2土壤动物体表的柔性特征(a)田鼠;(b)田鼠柔性体表的土壤滑动阻力明显减小生物电渗.通过对土壤动物的生物电测试,发现与传统分离式电渗完全不同的生物表面整体电渗现象[29],如图3所示.蚯蚓等土壤动物运动着的体表部分受到土壤作用产生局部变形,引发出体表动作电位,相对于未运动体表部位呈负电位,正极与负极在同一表面.当体表多个部位受到刺激,就产生多处分布的负电位区.由于正负电位区距离短,电位差使靠近体表的水化阳离子向接触区流动,产生电渗现象,改善界面水润滑,从而降低界面水膜张力和黏滞力,使土壤粘附力和摩擦力减小.图3生物电渗效应(a)蚯蚓体表生物电测试;(b)蚯蚓体表电渗原理中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期1357生物构形.生物与其环境介质和生存条件长期相互作用,促使其进化出高度适应生存环境的构形[30].土壤动物构形适应土壤环境的主要进化趋势为:躯体变小,体形细长,上下扁平,挖掘附肢强大.研究表明,蝼蛄、穿山甲、黄鼠等掘土能力强、松土效率高的挖掘动物,其爪趾具有特殊的几何曲线构形和楔形结构,如图4所示,能够有效分散沿掘进方向的应力,减少挖掘阻力,弱化下部土壤扰动,强化上部松土效果;尤其当爪趾前伸量与掘土深度比值达0.6~0.9时,松土效果最好,如图5所示.图4典型土壤动物爪趾构形(a)蝼蛄前足最大趾尖端俯视;(b)蝼蛄前足最大趾侧视;(c)小家鼠前爪中趾侧视;(d)达乌尔黄鼠前爪中趾侧视图5固定驱动力下小家鼠爪趾曲线与直线部件掘土效果的有限元分析结果(a)土壤水平位移的有限元分析;(b)土壤垂直位移的有限元分析.1-小家鼠爪趾曲线;2-直线部件生物润滑.蚯蚓、泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus)等土壤动物还会分泌具有润滑功能的体表液[31].蚯蚓体表分布着能自动调控开启和关闭的多个背孔,需要润滑时,就会分泌体表液.体表液是一种以有高潴留性的黏蛋白为主溶液的稀溶液,它与体表、土壤一起构成三层界面系统,即体表层、体液层和渗有体液的土壤层,如图6所示.体表液提供了一个弱剪切层,在土任露泉:地面机械脱附减阻仿生研究进展1358图6三层界面系统示意图壤动物体表与土壤层之间形成润滑界面,可降低土壤对动物体表的粘附.生物润滑、生物电渗和生物体表柔性对蚯蚓的减粘降阻具有多元耦合作用.尚需指出,土壤动物减粘脱附的方式和途径,决不限于我们已认识到的上述几个方面,还有许多奥秘有待进一步探索和揭示.不仅如此,我们发现,生物还具有更多对工程有重要意义的功能特性,如自洁、耐磨、抗疲劳、抗冲蚀、降噪、隐身等[32~35].随着理论研究的逐步深入和先进测试技术的不断涌现,人们对生物功能特性机理的认识,会越来越深入,越来越全面,从而使工程仿生学的生物模式越来越丰富,生物学基础也越来越坚实.3脱附减