农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景

材料拓扑等高度适应环境的生理特性，使运动的平稳性、灵活性、能量利用高效性等方面明显优于现代农业机械系统。蜣螂、蝼蛄等土壤动物因体表具有凸包、凹坑、刚毛等特殊的非光滑结构而表现出对生存环境中潮湿土壤的不沾染特性，启发了具有良好脱土性和耐磨性的犁壁、推土板、挖掘斗、仿生开沟器、仿生深松铲柄、旋耕碎茬仿生刀片等的仿生设计与制备。田鼠、蚯蚓、穿山甲等柔性体表动物因其体表柔性，利用自身非光滑表面结构控制着与土壤的摩擦力大小，据此开展了仿生柔性镇压辊的研制，进而调整所压实土壤的坚实度，改善作业质量。猪笼草叶笼滑移区因表面微小褶皱及微纳米尺度的片状蜡质层结构而对昆虫附着系统表现出良好的滑移功能，已据此开展致灾农业昆虫滑移捕集滑板的仿生研制。以工程仿生学的视角，从动植物生理结构、功能特性所蕴含的物质、能量和信息3方面入手，对脱附降阻、耐磨、减摩等进行的研究，有利于揭示动植物表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理，有助于以仿生农业机械方式解决农作物耕种与虫害防治过程中所面临的问题，并能推动工程仿生理论及技术的发展。本文综述了工程仿生在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况，并分析了其在该领域潜在的研究方向与发展前景。

1 土壤动物蜣螂的减阻理论及其仿生应用

农作物耕作过程中，土壤是各类农业机械必定会接触到的黏附介质，其黏性受地域、季节、含水量等多种因素的影响。地面机械触土部件在与松软湿润土壤接触时产生黏附现象，表现为触土部件表面与土壤间形成黏附力及因该黏附力作用而导致的土壤在触土部件上黏附积留[1]。该黏附现象往往会降低农业机具的作业性能并增加作业功耗——传统犁壁、推土板用于克服土壤黏附力的能耗约占耕种过程总能耗的1/3。这不仅浪费能源、影响耕种效率，还加快触土部件的磨损和使用寿命的缩短。如何克服上述缺点，是国内外学者致力研究和力图解决的问题。目前减黏脱土的实现途径主要有充气、充液、表面改良、机械刮削等[2]，但由于黏附机理未得到明确阐释，且存在制造成本高、噪声大等问题，仍未得到大范围实际应用。

1.1 典型土壤动物蜣螂的减黏脱附机理

通常情况下认为物体表面越光滑，其黏附阻力越小，但观察到处于黏湿环境中的非光滑表面减黏降阻效果更为明显[3-4]。自然界中绝大多数动植物经过亿万年的进化，表现出能够适应黏湿环境的优良减黏降阻和脱附现象。蝴蝶等昆虫的翅面、海鸥等鸟类羽毛因其特殊的表面结构而具有优良的疏水减黏功能，荷叶等植物叶片具有优异的自洁功能。蜣螂、蝼蛄、穿山甲等具有优良挖掘和脱土功能的典型土壤动物，因其体表特殊非光滑形态（如图1所示），使其生活在黏湿环境中运动自如而不粘土。研究表明，土壤动物具有优异的减黏脱土性能，主要是因其自身特殊的表面结构[5-6]。

对具有较强挖掘能力的蜣螂体表进行扫描电镜观测，发现其体表具有奇特的非光滑结构，表现为头部呈现凸起及前胸背板处呈现凹陷，雄性蜣螂表现得更为明显[7]（如图2 a）和图2 b）所示）。非光滑表面的存在增大了界面液膜与空隙液化学势的不平衡而产生“楔开”压力，能够大大降低黏附力。凸包形表面减少了与土壤的接触面积，凹陷形表面使体表和土壤之间形成空气膜，降低了大气负压对土壤的作用。

进一步观察发现在蜣螂身体的腹部以及口器周围密布参差不齐的刚毛（如图2c）所示），构成了与泥土接触的柔性界面。由于爪的支撑和胸节腹部的高度差，除了当蜣螂低头推土时刚毛与之轻微接触之外，其胸部腹板很少与土壤接触。刚毛构成的柔性表面减小了黏附面积，并使体表与土壤界面之间存在一定的间隙，从而导致水膜不易形成；刚毛的抖动产生的速度及方向的变化使土壤中水分和空气的流动增加润滑和脱附作用。若蜣螂腿部、胸腹部表面和上唇基的刚毛缺损，在显微镜下则会发现蜣螂的脱附能力显著下降[8]。此外，昆虫体表上表皮具有疏水性的护蜡层、蜡质层，使蜣螂体表的憎水性进一步增加，这对其脱附减阻无疑是一个重要贡献[5]。

1.2 减黏降阻推土板仿生设计

在表面仿生改形设计方面，利用蜣螂减黏降阻的表面结构，结合推土板与土壤相互作用过程中的界面接触状态、接触阻力与土壤特性等理论，可以确定仿生推土板表面非光滑结构的形状、数量、几何尺寸及分布。球面与其他形状表面相比最不易产生黏附现象，非光滑凸起数量太多或太少都不能达到脱附减阻效果，方向和次序采取随机分布不易使其产生摆动及附加阻力[9]。利用蜣螂表面减黏结构及物理性质，可增强推土板表面的憎水性，降低推土板与土壤的黏附力[10-13]。

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