仿生学在农机减阻中的应用

董铭强

摘要：在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理，及其在农机减阻方面的应用现状，为仿生学在农机设计中的应用提供参考。

关键词：仿生学；农机；脱附减阻；机理；减粘降阻

中图分类号：Q811；S220.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0030-03

仿生学是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科，是指人类模仿生物功能发明创造技术结构的科学。仿生学的研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术中，用以发明、创造新技术。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示出巨大的发展潜力。在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。近年来，仿生学提出减阻脱附基本原理，并由此设计出许多成功的产品，显示出广阔的发展前景。

1 仿生学在脱附减阻工程技术上的应用

1.1 水生动物非光滑表面减阻脱附

1936年，Gray J 通过20 a的科学研究发现，海豚体表光滑，且皮肤表面下有许多纤维结节，游动时随着滑过体表水流剪切阻力的增大，皮肤逐渐由光滑状态转变成具有一定几何形状的非光滑形态，从而阻力减小、游速提高。Speedo公司利用这一技术研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳运动员的游速大幅提高。图1为大鲨鱼表面和Fastskin布料的泳衣。

德国科学家通过观察和研究鲨鱼皮肤（如图2中所示），发现其表面布满肋条状的真皮组织。研究证实这种条纹状表面比光滑表面对水流的阻力小，能起到减阻效果。这一发现被美国航天局兰利研究所利用，并在飞机上进行试验，减阻效果达到了8%。

1.2 土壤动物非光滑表面减粘降阻

20世纪80年代，我国结合原有的生物知识，开始研究土壤动物挖掘减阻方式。吉林大学任露泉等通过研究常见土壤动物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活动，对它们的脱土减粘性质进行总结。常见土壤动物脱土减粘的方法为：1） 有利于减粘脱土的非光滑外形结构；2） 体表含有有利于减粘脱土的物质；3） 可用于减粘脱土的生物电系统；4） 分泌有利于减粘脱土的特殊物质。利用这些方法设计的仿生犁壁，比普通35号钢普通犁壁减小阻力15%～18%。

2 非光滑表面减粘降阻机理

20世纪20年代，人们从不同角度研究土壤粘附机理，提出种种不同的理论和学说，如Fountaine的水分张力理论、Zisman毛细管理论、Baxtnh的分子电荷理论等。Fisher，Baver等认为，土壤粘附力是由束缚水形成的水膜介质产生的。我国学者钱定华从表面能量的观点出发，提出了土壤对金属粘附的五层界面模型。20世纪70年代，秋山丰和横井肇将土壤看作均匀的球形粒子系，进一步完善了毛细管理论。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，研究多因素作用下的土壤粘附动态规律，并进行了试验优化、分形分维、灰色关联和神经网络等多种量化分析。

土壤动物能够常年在有粘性且潮湿的土壤环境中顺畅活动，且体表没有泥土粘附，其动态行为（包括行走状态和拱土状态）具有明显的脱附减阻功能，且整个体表都有脱附减阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤动物大多数时间都在土壤中活动，其体表直接与土壤进行接触。通过对土壤动物进行观察发现，非光滑体表是它们具有减粘降阻能力的重要原因之一。非光滑体表的结构组成多种多样，有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等，具体形态如图3所示。每种土壤动物都有不同的体表组成结构，非常多样化。在一种动物身上可以发现多种体表组成结构，且每种结构的力学特性和尺度有所不同。

2.2 生物柔性及其仿生

柔性仿生是通过对生物体表的柔性特征进行模拟来研究人工柔性系统。目前，己经有很多种具有柔性仿生结构的机械部件被设计并制造出来，例如链布式、链条式、螺旋网式的柔性衬及柔性镇压辊，它们的形态如图4所示。它们通过模拟柔性仿生结构单元的动态行为来达到脱附目的，同时还可减少能耗，一举多得。

2.3 生物电渗及其仿生

科学工作者们发现，土壤动物体表具有全新的、不同于传统分离式电渗的生物体表整体电渗现象（如图5所示）。由于土壤动物体表多具有柔性结构，所以运动时体表常发生形变，并由此产生体表电位。相对于活动较为活跃的体表区域，相对静止的区域表面集中了更多的负电位，使体表产生电位差，导致水化阳离子向体表与土壤的接触面集中，并对界面产生润滑作用，从而达到减少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿这种特殊的现象，根据电渗原理（如图6所示），人们设计了具有仿生电渗表面的推土板和模型铲斗，在实际应用中展现出了优异的减粘降阻性能。

2.4 生物构形及其仿生

构形仿生就是从形状上进行模拟，这也是人们对仿生最早的理解。为研究土壤动物挖土效率高的原因，科学家们对这些动物的爪趾（见图7）进行了构形仿生，发明并制造了带有曲面设计的仿生深松铲。此种深松铲比传统的直线形深松铲减阻19%，可更加高效的进行田间作业。随着社会对绿色能源的日益重视，仿生深松铲必将越来越多地应用于农业生产。

2.5 生物润滑及其仿生

在外界环境变化或受到刺激时，具有体表润滑功能的生物体（如蚯蚓、泥鳅等）体表会分泌粘液，在土壤和其表层皮肤之间形成润滑层，使其在土壤颗粒中的前进阻力减小。研究表明，生物体表特征中的润滑、电渗等特征，对土壤动物体表的减粘降阻具有多元藕合作用。目前，对土壤动物表面减粘降阻的研究还处于试验阶段。

2.6 生物体表物质构成及其仿生

相关研究表明，土壤动物体内含有的某些元素，能够帮助它们在运动中减粘脱土。土壤动物体内含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，Mn等微量元素，分布在身体的不同部位。通过对土壤动物体表进行分析，发现与体表接触的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量较多。而这些元素表现出很强的疏水特性，确保土壤动物在粘湿的土壤中运动时，水不会粘着在体表。

3 仿生学在农机减阻方面应用

根据地面机械脱附减阻的实际需求，运用各种单元仿生、多元耦合（协同）仿生的理论及技术，结合地面机械的类型、触土部件作业规律和结构特点，制定了不同类型仿生产品的开发原则。目前，多种仿生脱附减阻部件已在农业机械上广泛应用。

应用结果表明，这些仿生部件结构简单，能在不影响原机正常作业的条件下，与工作装置同步自动完成预定作业，且成本低、能耗小、效率高、脱附效果好。例如，仿生犁壁、仿生镇压辊和仿生电渗落煤斗等的脱附率达90%；仿生深松铲较传统铲减阻19%，较日本岛根公司生产的铲减阻6%～8%。

4 结语

地面机械在松软地面行驶和作业时，存在粘附和阻力问题，是农业生产和众多工程领域普遍性的技术难题。长期以来，为探索脱附减阻的规律和本质，国内外研究人员在理论、方法、技术方面进行研究，建立了生物脱附减阻理论及其仿生技术体系，研制出多种仿生产品，取得了明显的成效。大量的研究和实践表明，仿生学在农机上的应用，解决了许多以前解决不了的难题。

摘要：在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理，及其在农机减阻方面的应用现状，为仿生学在农机设计中的应用提供参考。

关键词：仿生学；农机；脱附减阻；机理；减粘降阻

中图分类号：Q811；S220.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0030-03

仿生学是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科，是指人类模仿生物功能发明创造技术结构的科学。仿生学的研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术中，用以发明、创造新技术。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示出巨大的发展潜力。在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。近年来，仿生学提出减阻脱附基本原理，并由此设计出许多成功的产品，显示出广阔的发展前景。

1 仿生学在脱附减阻工程技术上的应用

1.1 水生动物非光滑表面减阻脱附

1936年，Gray J 通过20 a的科学研究发现，海豚体表光滑，且皮肤表面下有许多纤维结节，游动时随着滑过体表水流剪切阻力的增大，皮肤逐渐由光滑状态转变成具有一定几何形状的非光滑形态，从而阻力减小、游速提高。Speedo公司利用这一技术研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳运动员的游速大幅提高。图1为大鲨鱼表面和Fastskin布料的泳衣。

德国科学家通过观察和研究鲨鱼皮肤（如图2中所示），发现其表面布满肋条状的真皮组织。研究证实这种条纹状表面比光滑表面对水流的阻力小，能起到减阻效果。这一发现被美国航天局兰利研究所利用，并在飞机上进行试验，减阻效果达到了8%。

1.2 土壤动物非光滑表面减粘降阻

20世纪80年代，我国结合原有的生物知识，开始研究土壤动物挖掘减阻方式。吉林大学任露泉等通过研究常见土壤动物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活动，对它们的脱土减粘性质进行总结。常见土壤动物脱土减粘的方法为：1） 有利于减粘脱土的非光滑外形结构；2） 体表含有有利于减粘脱土的物质；3） 可用于减粘脱土的生物电系统；4） 分泌有利于减粘脱土的特殊物质。利用这些方法设计的仿生犁壁，比普通35号钢普通犁壁减小阻力15%～18%。

2 非光滑表面减粘降阻机理

20世纪20年代，人们从不同角度研究土壤粘附机理，提出种种不同的理论和学说，如Fountaine的水分张力理论、Zisman毛细管理论、Baxtnh的分子电荷理论等。Fisher，Baver等认为，土壤粘附力是由束缚水形成的水膜介质产生的。我国学者钱定华从表面能量的观点出发，提出了土壤对金属粘附的五层界面模型。20世纪70年代，秋山丰和横井肇将土壤看作均匀的球形粒子系，进一步完善了毛细管理论。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，研究多因素作用下的土壤粘附动态规律，并进行了试验优化、分形分维、灰色关联和神经网络等多种量化分析。

土壤动物能够常年在有粘性且潮湿的土壤环境中顺畅活动，且体表没有泥土粘附，其动态行为（包括行走状态和拱土状态）具有明显的脱附减阻功能，且整个体表都有脱附减阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤动物大多数时间都在土壤中活动，其体表直接与土壤进行接触。通过对土壤动物进行观察发现，非光滑体表是它们具有减粘降阻能力的重要原因之一。非光滑体表的结构组成多种多样，有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等，具体形态如图3所示。每种土壤动物都有不同的体表组成结构，非常多样化。在一种动物身上可以发现多种体表组成结构，且每种结构的力学特性和尺度有所不同。

2.2 生物柔性及其仿生

柔性仿生是通过对生物体表的柔性特征进行模拟来研究人工柔性系统。目前，己经有很多种具有柔性仿生结构的机械部件被设计并制造出来，例如链布式、链条式、螺旋网式的柔性衬及柔性镇压辊，它们的形态如图4所示。它们通过模拟柔性仿生结构单元的动态行为来达到脱附目的，同时还可减少能耗，一举多得。

2.3 生物电渗及其仿生

科学工作者们发现，土壤动物体表具有全新的、不同于传统分离式电渗的生物体表整体电渗现象（如图5所示）。由于土壤动物体表多具有柔性结构，所以运动时体表常发生形变，并由此产生体表电位。相对于活动较为活跃的体表区域，相对静止的区域表面集中了更多的负电位，使体表产生电位差，导致水化阳离子向体表与土壤的接触面集中，并对界面产生润滑作用，从而达到减少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿这种特殊的现象，根据电渗原理（如图6所示），人们设计了具有仿生电渗表面的推土板和模型铲斗，在实际应用中展现出了优异的减粘降阻性能。

2.4 生物构形及其仿生

构形仿生就是从形状上进行模拟，这也是人们对仿生最早的理解。为研究土壤动物挖土效率高的原因，科学家们对这些动物的爪趾（见图7）进行了构形仿生，发明并制造了带有曲面设计的仿生深松铲。此种深松铲比传统的直线形深松铲减阻19%，可更加高效的进行田间作业。随着社会对绿色能源的日益重视，仿生深松铲必将越来越多地应用于农业生产。

2.5 生物润滑及其仿生

在外界环境变化或受到刺激时，具有体表润滑功能的生物体（如蚯蚓、泥鳅等）体表会分泌粘液，在土壤和其表层皮肤之间形成润滑层，使其在土壤颗粒中的前进阻力减小。研究表明，生物体表特征中的润滑、电渗等特征，对土壤动物体表的减粘降阻具有多元藕合作用。目前，对土壤动物表面减粘降阻的研究还处于试验阶段。

2.6 生物体表物质构成及其仿生

相关研究表明，土壤动物体内含有的某些元素，能够帮助它们在运动中减粘脱土。土壤动物体内含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，Mn等微量元素，分布在身体的不同部位。通过对土壤动物体表进行分析，发现与体表接触的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量较多。而这些元素表现出很强的疏水特性，确保土壤动物在粘湿的土壤中运动时，水不会粘着在体表。

3 仿生学在农机减阻方面应用

根据地面机械脱附减阻的实际需求，运用各种单元仿生、多元耦合（协同）仿生的理论及技术，结合地面机械的类型、触土部件作业规律和结构特点，制定了不同类型仿生产品的开发原则。目前，多种仿生脱附减阻部件已在农业机械上广泛应用。

应用结果表明，这些仿生部件结构简单，能在不影响原机正常作业的条件下，与工作装置同步自动完成预定作业，且成本低、能耗小、效率高、脱附效果好。例如，仿生犁壁、仿生镇压辊和仿生电渗落煤斗等的脱附率达90%；仿生深松铲较传统铲减阻19%，较日本岛根公司生产的铲减阻6%～8%。

4 结语

地面机械在松软地面行驶和作业时，存在粘附和阻力问题，是农业生产和众多工程领域普遍性的技术难题。长期以来，为探索脱附减阻的规律和本质，国内外研究人员在理论、方法、技术方面进行研究，建立了生物脱附减阻理论及其仿生技术体系，研制出多种仿生产品，取得了明显的成效。大量的研究和实践表明，仿生学在农机上的应用，解决了许多以前解决不了的难题。

摘要：在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理，及其在农机减阻方面的应用现状，为仿生学在农机设计中的应用提供参考。

关键词：仿生学；农机；脱附减阻；机理；减粘降阻

中图分类号：Q811；S220.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0030-03

仿生学是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科，是指人类模仿生物功能发明创造技术结构的科学。仿生学的研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术中，用以发明、创造新技术。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示出巨大的发展潜力。在农业机械化的推广过程中，阻力过大是制约其发展的重要因素，而仿生学提出了解决此问题的新思路。近年来，仿生学提出减阻脱附基本原理，并由此设计出许多成功的产品，显示出广阔的发展前景。

1 仿生学在脱附减阻工程技术上的应用

1.1 水生动物非光滑表面减阻脱附

1936年，Gray J 通过20 a的科学研究发现，海豚体表光滑，且皮肤表面下有许多纤维结节，游动时随着滑过体表水流剪切阻力的增大，皮肤逐渐由光滑状态转变成具有一定几何形状的非光滑形态，从而阻力减小、游速提高。Speedo公司利用这一技术研制出Fastskin系列布料以及泳衣，使游泳运动员的游速大幅提高。图1为大鲨鱼表面和Fastskin布料的泳衣。

德国科学家通过观察和研究鲨鱼皮肤（如图2中所示），发现其表面布满肋条状的真皮组织。研究证实这种条纹状表面比光滑表面对水流的阻力小，能起到减阻效果。这一发现被美国航天局兰利研究所利用，并在飞机上进行试验，减阻效果达到了8%。

1.2 土壤动物非光滑表面减粘降阻

20世纪80年代，我国结合原有的生物知识，开始研究土壤动物挖掘减阻方式。吉林大学任露泉等通过研究常见土壤动物（蚯蚓、蜣螂、穿山甲等）的活动，对它们的脱土减粘性质进行总结。常见土壤动物脱土减粘的方法为：1） 有利于减粘脱土的非光滑外形结构；2） 体表含有有利于减粘脱土的物质；3） 可用于减粘脱土的生物电系统；4） 分泌有利于减粘脱土的特殊物质。利用这些方法设计的仿生犁壁，比普通35号钢普通犁壁减小阻力15%～18%。

2 非光滑表面减粘降阻机理

20世纪20年代，人们从不同角度研究土壤粘附机理，提出种种不同的理论和学说，如Fountaine的水分张力理论、Zisman毛细管理论、Baxtnh的分子电荷理论等。Fisher，Baver等认为，土壤粘附力是由束缚水形成的水膜介质产生的。我国学者钱定华从表面能量的观点出发，提出了土壤对金属粘附的五层界面模型。20世纪70年代，秋山丰和横井肇将土壤看作均匀的球形粒子系，进一步完善了毛细管理论。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，研究多因素作用下的土壤粘附动态规律，并进行了试验优化、分形分维、灰色关联和神经网络等多种量化分析。

土壤动物能够常年在有粘性且潮湿的土壤环境中顺畅活动，且体表没有泥土粘附，其动态行为（包括行走状态和拱土状态）具有明显的脱附减阻功能，且整个体表都有脱附减阻功能。

2.1 生物非光滑及其仿生

土壤动物大多数时间都在土壤中活动，其体表直接与土壤进行接触。通过对土壤动物进行观察发现，非光滑体表是它们具有减粘降阻能力的重要原因之一。非光滑体表的结构组成多种多样，有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等，具体形态如图3所示。每种土壤动物都有不同的体表组成结构，非常多样化。在一种动物身上可以发现多种体表组成结构，且每种结构的力学特性和尺度有所不同。

2.2 生物柔性及其仿生

柔性仿生是通过对生物体表的柔性特征进行模拟来研究人工柔性系统。目前，己经有很多种具有柔性仿生结构的机械部件被设计并制造出来，例如链布式、链条式、螺旋网式的柔性衬及柔性镇压辊，它们的形态如图4所示。它们通过模拟柔性仿生结构单元的动态行为来达到脱附目的，同时还可减少能耗，一举多得。

2.3 生物电渗及其仿生

科学工作者们发现，土壤动物体表具有全新的、不同于传统分离式电渗的生物体表整体电渗现象（如图5所示）。由于土壤动物体表多具有柔性结构，所以运动时体表常发生形变，并由此产生体表电位。相对于活动较为活跃的体表区域，相对静止的区域表面集中了更多的负电位，使体表产生电位差，导致水化阳离子向体表与土壤的接触面集中，并对界面产生润滑作用，从而达到减少土壤粘附力和摩擦力的目的。模仿这种特殊的现象，根据电渗原理（如图6所示），人们设计了具有仿生电渗表面的推土板和模型铲斗，在实际应用中展现出了优异的减粘降阻性能。

2.4 生物构形及其仿生

构形仿生就是从形状上进行模拟，这也是人们对仿生最早的理解。为研究土壤动物挖土效率高的原因，科学家们对这些动物的爪趾（见图7）进行了构形仿生，发明并制造了带有曲面设计的仿生深松铲。此种深松铲比传统的直线形深松铲减阻19%，可更加高效的进行田间作业。随着社会对绿色能源的日益重视，仿生深松铲必将越来越多地应用于农业生产。

2.5 生物润滑及其仿生

在外界环境变化或受到刺激时，具有体表润滑功能的生物体（如蚯蚓、泥鳅等）体表会分泌粘液，在土壤和其表层皮肤之间形成润滑层，使其在土壤颗粒中的前进阻力减小。研究表明，生物体表特征中的润滑、电渗等特征，对土壤动物体表的减粘降阻具有多元藕合作用。目前，对土壤动物表面减粘降阻的研究还处于试验阶段。

2.6 生物体表物质构成及其仿生

相关研究表明，土壤动物体内含有的某些元素，能够帮助它们在运动中减粘脱土。土壤动物体内含有Si，S，P，Al，Na，Mg，Ca，Fe，Mn等微量元素，分布在身体的不同部位。通过对土壤动物体表进行分析，发现与体表接触的土面中，Si，S，P，Al等元素的含量较多。而这些元素表现出很强的疏水特性，确保土壤动物在粘湿的土壤中运动时，水不会粘着在体表。

3 仿生学在农机减阻方面应用

根据地面机械脱附减阻的实际需求，运用各种单元仿生、多元耦合（协同）仿生的理论及技术，结合地面机械的类型、触土部件作业规律和结构特点，制定了不同类型仿生产品的开发原则。目前，多种仿生脱附减阻部件已在农业机械上广泛应用。

应用结果表明，这些仿生部件结构简单，能在不影响原机正常作业的条件下，与工作装置同步自动完成预定作业，且成本低、能耗小、效率高、脱附效果好。例如，仿生犁壁、仿生镇压辊和仿生电渗落煤斗等的脱附率达90%；仿生深松铲较传统铲减阻19%，较日本岛根公司生产的铲减阻6%～8%。

4 结语

地面机械在松软地面行驶和作业时，存在粘附和阻力问题，是农业生产和众多工程领域普遍性的技术难题。长期以来，为探索脱附减阻的规律和本质，国内外研究人员在理论、方法、技术方面进行研究，建立了生物脱附减阻理论及其仿生技术体系，研制出多种仿生产品，取得了明显的成效。大量的研究和实践表明，仿生学在农机上的应用，解决了许多以前解决不了的难题。