仿生学及其农业工程应用

农业工程仿生技术主讲人：张金波佳木斯大学机械工程学院农机教研室内容奇异的仿生学仿生学的诞生仿生学的发展研究方法仿生学在农业工程上的应用农业工程与仿生学农业工程仿生技术未来发展趋势奇异的仿生学仿生学的诞生什么是仿生学：仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。简言之，仿生学就是模仿生物的科学。•仿生学正式诞生于1960年9月。在美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地—戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？”。J.E.Steele根据拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nic（‘具有……的性质’的意思）”为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学。1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。•某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能。仿生学发展•从远古时期开始，人们就已经开始了对自然界中生物的某些特有的功能和结构的学习，并应用与日常生产。熊、虎、鸟鹿、猿飞行器的雏形：《韩非子》记载：鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”；意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。飞机的诞生及发展：蝙蝠和雷达飞机机翼震颤问题当飞机飞行时，机翼发生有害的振动，飞行越快，机翼的颤振越烈，甚至使机翼折断，造成飞机坠落。电子蛙眼人工冷光萤火虫发出冷光一般不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。苍蝇与宇宙飞船苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上远在几千米外的气味也能嗅到。响尾蛇与红外线摄像仪壁虎与附着技术其他具有附着功能的生物爪仿生技术与建筑工程外形酷似叠放在一起的贝壳，设计者的灵感来自于剥开的橘子。仿生学住宅薄壳形建筑：蛋壳、蚌壳本身很薄，尽管它们形态各异，却都有着共同的力学特征：用手握住鸡蛋很难捏碎；深海中的贝壳能够承受很大的水压而不碎裂。优点：能够分散作用力，单位面积作用力小。无应力集中；节省材料。啄木鸟的头部结构非常有利于保护其脑部组织，确保不会发生脑震荡。啄木鸟的头部有一套严密的防震装置。啄木鸟的头颅非常坚硬，但骨质却似海绵，疏松而充满气体，颅壳内有一层坚韧的外脑膜，外脑膜与脑髓间有1个狭窄的空隙，可减弱震波的传导。头部的横切面显示，它的脑组织十分严密，再加上啄木鸟头部两侧还有强有力的肌肉系统，也起着防震作用。以6m/s的速度敲击树干，承受超过千倍重力减速度的力。计算机模拟结果显示结果如图。仿生学研究方法：生物原型数学模型实物模型从生产实际中发现并提取出具体问题，根据自然界中某些生物所具有的特殊功能，针对问题进行量化分析。借助数学手段及现代逆向工程技术，完成生物体信息的提取，建立相应的数学模型。根据数学模型，利用计算机强大的建模功能建立几何结构模型，并进行必要的模拟和优化设计。工程应用现代加工制造技术完成具有优异结构和功能的技术设备。农业工程仿生技术应用农业机械仿生减阻技术农业机械仿生减粘技术农业机械仿生粘附技术农业机械仿生耐磨技术仿生减阻技术农业机械在工作过程中大多都以土壤为作业对象，而在作业过程中需要克服土壤阻力。如整地机械(犁、铧、旋耕机、深松机、靶等)；播种机，施肥机，除草机等。耕作阻力大必然导致能耗升高，不利于绿色、环保、节约、可持续发展新型农业的发展。因此，农业科技人员对降低农机耕作阻力做了大量的研究工作，其中即包括基于仿生学原理的农业机械减阻技术。几何非光滑雌性蜣螂LabrumLabrum雄性蜣螂头前部非光滑表面pronotumlabrum仿生减阻技术对蜣螂体表触土部位进行了仿生学研究，结果表明，这种非光滑结构表面具有良好的减粘降阻特性，在运动状态下，这种减粘降阻效果尤为显著。根据这一特性，设计了凸包型仿生犁壁，并在室内土槽和室外田间进行了耕作对比试验。结果表明，室内土槽试验的减阻率为6.6%-12.7%，仿生犁的阻力波动比普通的略大，由此显示出仿生犁壁的震动效果，且随着耕作速度的增加，降阻效果愈加明显，进一步证明了仿生犁壁在运动状态下仿生非光滑结构能够有效地减小实际接触界面面积，从而使仿生犁具有显著的降阻效果；仿生犁的田间试验减阻率为15%-18%，节省油耗5.6%-12.6%，且仿生犁的翻垡、碎垡率高，土壤耕作效果好(李剑桥等，1996)。对与车蜣螂推、滚粪球关系最为密切的头部唇基表面进行了研究，发现具有凸起和凹陷的非光滑结构，同时凹陷内部有短刚毛，凸包高度约为20μm，长50-70μm，宽40-60μm，间距为100-200μm，呈点状分布。对车蜣螂的体表体电位进行了测量，其值因身体部位不同而有差异，其中头部唇基的体电位为4-20mV。根据上述特征，设计了仿生凸包型电渗减粘降阻推土板，并进行了实际推土作业对比分析，结果表明，在通电12V的情况下，仿生非光滑推土板与普通平板相比，能够降低推土阻力30%-41%，降阻效果显著。光滑推土板仿生非光滑推土板小家鼠、达乌尔鼠、黄鼠、田鼠等土壤洞穴动物的爪趾具有高效的土壤挖掘功能。根据这一功能设计了一种仿生弯曲深松铲，并与日本深松部件进行了耕作阻力对比试验，测试结果表明，与日本直线型深松铲相比，仿生弯曲型深松铲的水平耕作阻力降低了98.22%，垂直阻力降低了106.27%，仿生弯曲深松铲减阻效果非常显著(郭志军，2003)。小家鼠爪趾达乌尔黄鼠前爪中趾蝼蛄爪趾仿生弯曲深松铲仿日本直线型深松铲鼹鼠具有极高的土壤挖掘效率，这主要得益于其爪趾几何结构特征优良的力学性能，这为农业机械土壤耕作部件的仿生设计提供了学习的对象。鼹鼠的这一优良特性使之应用于深松铲、犁铧、旋耕刀、碎茬刀等触土部件的仿生设计成为了可能。利用鼹鼠爪趾的高效挖掘性能设计仿生旋耕-碎茬刀片，不仅能够实现一次进地完成碎茬和旋耕两种作业，而且节省了作业成本，同时避免了拖拉机对耕地的过度碾压。研究表明，与国标普通旋耕、碎茬刀片相比，旋耕-碎茬通用到片的耕深稳定性达到93%以上，碎茬率、碎土率以及根茬覆盖率分别为81.8%、87.9%和87.2%，实现了旋耕、碎茬机具的通用，作业质量完全符合农业技术要求，提高了旋耕、碎茬的作业效率，节省了设计制造成本（汲文峰旋耕-碎茬仿生刀片）。鼹鼠土壤动物蚯蚓生活在土壤中，身体呈节状，节上端自11-12节直至后端沿背部中线分布有背孔。背孔平时关闭，环境干燥、钻土或遇到刺激时张开并分泌润滑液，利于蚯蚓呼吸和在土壤中穿行，这种体液是由体表生物电所致。蚯蚓身体分泌润滑液这一特性使其能够在土壤中穿行而毫不费力，这说明这种特性具有很好的减阻功能。利用蚯蚓的这一特殊功能，仿生设计了凹坑、倒角通孔和通孔三种仿生非光滑电渗表面装置并进行了操作试验，结果表明，在混合润滑条件下，与蚯蚓背孔原理相类似的通孔形仿生非光滑结构表面具有优良的减阻、耐磨特性。蚯蚓体表粘液三层介质结构电渗前推土板电渗后推土板电渗前叶轮叶片电渗后叶轮叶片自卸车振动打桩机挖掘机仿生粘附(附着)技术在日常生活中经常可以看到有些动物如苍蝇、蚂蚁、蜜蜂、蜘蛛、甲虫、壁虎等在光滑表面上爬行或停留，甚至在玻璃等异常光滑的表面也能行动自如。尽管有时是在竖直的光滑表面亦或倒挂在下表面也从不会因此而滑落。这些动物之所以能够具备这样的攀爬及附着本领，主要是得益于其所具有的优良的附着机构和功能。根据形态的不同，动物的附着器官可以分为爪子、爪垫、中垫、跗垫、刚毛等。生物能够利用爪子上的爪垫与刚毛附着在表面的附着机理与其附着组织器官的结构密不可分。刚毛是动物的主要附着器官，其末端一般都是平的，这构成了尖端的接触单元，尺寸范围为：甲虫7m左右，苍蝇1-2m，尖端接触单元扮演着与表面附着的重要角色。爪垫是动物的另一种主要附着器官，爪垫与表面的粘附强度取决于接触单元的数量以及能够与接触界面产生紧密接触的能力。壁虎苍蝇蜘蛛蚂蚁爬山虎各种仿生攀爬装置仿生减粘脱附技术湿润土壤与固体表面的粘附主要源于接触面间水膜的毛细引力和粘滞阻力，这两种力是粘附界面间液体分子相互作用的宏观表现。对土壤粘附系统而言，粘附力随着接触面面积的增大而增大。当界面处于连续水膜接触状态时，粘附力随着界面水膜的厚度增加而降低。因此，减小接触面的接触面积或增加连续水膜厚度是降低土壤对接触面粘附的有效途径。土壤对农业土壤工作部件触土表面的粘附不仅导致作业质量和工作效率下降，而且增大了能耗，甚至损坏机具。随着我国农业机械化水平的不断提高，农业耕翻机械、精密播种机械、精密施肥机械、栽植机械、收获机械等等的使用数量都在逐年增加，迫切需要行之有效的防粘降阻技术来改善其作业质量，提供工作效率。传统的防粘减阻技术的研究一般都集中在机具防粘减阻结构的改进与设计。荷叶表面及自清洁效应具有自清洁功能的产品仿生不粘炊具—国家重大基础研究前期研究专项项目鲨鱼鲨鱼皮微观结构鲨鱼皮泳衣微结构鲨鱼皮泳衣鲨鱼皮泳衣减阻机理仿生耐磨技术损普遍存在于工农业生产之中，而且由于磨损造成的经济损失非常巨大。尤其对于农业机械土壤机具，其触土部件在工作过程中持续受到土壤的磨料磨损，致使其使用寿命缩短，增加了生产成本。土壤对农机触土部件的磨料磨损是导致其失效的主要形式。因此，提高这些部件的耐磨性能，对于提高其技术水平，节约材料，提高工作效率，具有重要的实际意义和科学价值。翼形深松铲磨损形貌非翼形深松铲磨损形貌传统的耐磨性提高方法：1.纯材料的角度入手2.特殊的热处理工艺3.现代表面技术4.先进涂层技术5.改善工作环境存在的问题：工艺复杂，造价高农业机械仿生耐磨技术：不额外增加制造成本，且能够满足技术要求。沙漠中的沙鱼沙鱼体表结构钢表面玻璃表面生活在Sahara沙漠中的沙鱼（Sandfish）体表覆盖鳞片形几何结构，这种结构形态使沙鱼具有优异的抗风沙冲蚀磨损的能力，在相同试验条件下，经10小时冲蚀磨损，沙鱼表面的耐磨性明显高于钢和玻璃表面。蛇、蜥蜴等动物在土壤或沙表面上运动时，它们的身体几何结构表面亦与土壤、沙相互作用而发生磨料磨损现象，但都显示出优良的耐磨性能，这主要得益于其几何结构表面发挥了重要的作用。竹材具备较高的耐磨特性。在以砂纸为对摩材料进行的竹材横断面磨料磨损试验发现，其最大磨损速率出现在竹杆中间靠近内表层附近，与硬度分布一致。在泥沙磨料磨损条件下，竹材的磨损速率与竹纤维与滑动表面的取向关系密切相关，磨损速率在竹纤维垂直方向比平行方向低；当竹纤维与滑动界面处于垂直方向时，其表面层一定深度的基体组织被首先磨去，使纤维端头突出于基体之上，形成一种具有几何结构特征的磨损表面几何形态，这是一种由磨损过程形成的耐磨几何结构形态，泥沙粒子在这种几何结构表面上易于产生滚动，使其表现出很高的耐磨性，并且其耐磨性随着竹纤维密度增大而提高。（佟金，2001）。竹材内部组织结构竹材磨损表面微结构耐磨生物材料及仿生应用蜣螂体表结构栉孔扇贝壳体环纹蛤表面蛤蜊瓣穿山甲穿山甲鳞片棱纹表面陨石表面凹坑结构高尔夫球表面仿生非光滑金刚石钻头仿生钻头钻岩后的非光滑唇面人造金刚石钻头水泵叶轮非光滑形态-2试验比较分析水泵叶轮非光滑形态-1水泵叶轮200QJ50-26离心式水泵仿生非光滑水泵叶轮—国际合作重点项目扇贝贝壳仿生技术其他领域应用仿生无痛注射器仿生无痛注射器非光滑形态摩擦阻力-进针深度曲线3691200.40.81.21.622.42.83.23.6进针深度(mm)摩擦阻力(N)光滑试件1号试件2号试件3号试件4号试件5号试件6号试件7号试件8号试件9号试件试验结果曲线蚊子口器仿生无痛注射器非光滑形态试验结果曲线雌蚊口器结构图蝴蝶非光滑翅面隐形效应的仿生研究—国家自然科学基金、教育部重点项目、霍英东基金项目绿带翠凤蝶体视显微镜鳞片结构光谱分析曲线透射电镜鳞片微结构扫描电镜鳞片微结构绿带翠凤蝶体视显微镜鳞片结构透射电镜鳞片微结构扫描电镜鳞片微结构仿生镇压辊仿生柔性铲