生物柔性脱附-田鼠

1、.文献综述PAGE ：.；PAGE - 7 -田鼠的生物柔性脱附及其运用前言在人们的科研、消费、生活以及其他活动实际中，需求运用越来越多的工程机械，这些工程机械中有些是以地面、土壤为任务对象，需求按一定的要求来处置地面，比如各种农业机具、土方工程机械等；有些以地面为任务介质，不希望破坏地面，比如在地面行走各种交通工具和军事车辆等，它们被统称为地面机械1,2。在运用这些机械的过程中，人们发如今黏湿的任务环境中，其触土部件的土壤粘附问题会严重影响机械的任务效率、运用寿命以及作业的质量，增大能量的耗费，甚至使机械无法正常运转和任务3,4。大量的工农业消费实际和科学研讨阐明，土壤等黏湿物料的粘附严重影

2、响和制约着众多工程领域的开展。一些研讨阐明在车辆工程、土方工程、农业工程和能源工程等诸多领域，土壤的粘附问题会呵斥了宏大的损失，比如，使车辆失去行驶才干、降低消费率以及添加能耗等4-9。为理处理这个问题，许多专家学者把大量精神用来研讨处理土壤粘附的问题，但是因其根据的是经典实际，采用的是传统方法，所以不断未见艰苦突破4。科研任务者经过大量的察看、实验和研讨，发现自然界的很多生物具有脱附功能，尤其是土壤动物具有非常优良的脱附功能。这主要是它们为了顺应环境和维持生存的需求，在自然界中经过亿万年的进化和演化，在经过大自然有声劣汰的法那么下，进化出各种各样具有防粘脱附功能的形状和构造，从而具有了独特的

3、顺应土壤环境的生存才干。比如软体动物蜗牛，环节动物蚯蚓，节肢动物蝼蛄、蚂蚁和蜣螂，哺乳动物穿山甲、和田鼠等，它们都具有非常完善的减粘脱土功能，从而都能在黏湿的土壤条件下活动自若且毫不粘土4,7。土壤动物在行走和“任务中具有明显的减粘脱土功能，而且其整个体表或身体都具有减粘脱土的才干。探求和研讨土壤动物的这种优良的减粘脱土功能，对于地面机械的减粘脱土具有重要的实践意义和宽广的运用前景。田鼠是一种典型的土壤动物，其在土壤中可以活动自若，很好地完成发掘等任务且身体外表却能毫不粘土，田鼠的这种优良的减粘脱土功能主要是由于其身体是由多层次的柔性部分构成，在其运动过程中，不同柔性段之间存在着非线性的大变形

4、与复原，这种相对柔性的运动可以脱掉土壤10。田鼠的这种柔性脱附减阻功能是工程仿生研讨的一个重要方向，具有宽广的运用前景。1 田鼠的概述11田鼠是仓鼠科的一类，是啮齿目仓鼠科田鼠亚科的通称。与其他鼠类比较，田鼠的体型较结实，尾巴较短，眼睛和耳较小，耳壳略显露于毛外。毛色差别很大，呈灰黄、沙黄、棕褐以及棕灰色等。田鼠可在多种环境中生活，从冰冷的冻土带直至亚热带都有田鼠的存在。田鼠多为地栖种类，它们发掘地下通道或在倒木、树根、岩石下的缝隙中做窝。田鼠有的白天活动，有的夜间活动，也有的昼夜活动。多数以植物性食物为食，有些种类那么吃小动物性食物。每年繁衍2-4次，每胎产仔5-14只，寿命约为2年。田鼠是

5、群居性非冬眠动物。春季鼠窝中存粮减少或吃尽，田鼠活动频繁，饥不择食；夏季田鼠处于怀孕、产崽、分窝顶峰期，活动猖獗，竭力找寻食物；秋季田鼠积极储粮，忙于奔走找食；冬季田鼠不冬眠，即使下了雪，黑夜仍会出洞活动。 2 生物柔性概述2.1 生物脱附的类型针对工程机械触土部件的土壤粘附问题，很多专家学者做了大量研讨任务，以期处理这个问题，其中吉林大学的很多学者在此方面做出了宏大的奉献。任露泉10教授中国科学院院士，经过生物仿生的方法，获得了很大的胜利。他在近10年的时间里，踏踏实实地对6门10纲1万多只土壤动物进展了系统的、大量的生物测试、实际分析、计算机模拟和实验，终于获得了艰苦突破，探求出了多种不同

6、类型动物遇黏不粘的机理。根据它们减粘脱附原理的不同，可以将其分为以下几类：生物柔性。他们发现一些身体由多层次的柔性部分构成的动物，具有明显的脱附功能，比如田鼠、蛴螬等。它们的脱附机理为：它们的身体外表呈现出一维、二维和三维的柔性分层，当它们在运动或任务时，其本身不同柔性段之间存在着非线性的大变形与复原，这种相对柔性的运动可以脱掉身体外表粘有的土壤。此外，柔性变形还能吸收能量，降低系统粘附力与摩擦热，身体的各柔性段还可以储流、通流，减弱接触面间的粘附强度，从而到达不粘的效果。生物非光滑。在研讨中发现一些土壤动物具有非光滑的身体外表，比如蜣螂、穿山甲等，它们也都具有明显的脱附功能。这类土壤动物的脱

7、附机理是其在黏湿的环境土壤等运动的时候，它们凹凸不平的身体外表会使与其接触的土壤外表产生细微的振动，导致两者的接触面积和作用时间减少，微振能破坏接触面间延续的水膜，构成动态的部分空气膜，从而减小了土壤与动物体表间的粘附和摩擦，到达不粘的效果。生物电渗。发现一些运动着的土壤动物如蚯蚓等的身体外表受土壤的作用会产生变形，引发出相对于未产生运动的体表部位的负电位，当体表多个部位遭到刺激，就产生多处与正电位间隔 很短的负电位区，产生低压高效电渗景象，使土壤粘附力和摩擦力减小，到达不粘的效果。除此之外，还发现一些土壤动物具有特殊的几何形体，爪趾构形，体表构造及分泌物等具有脱附作用。2.2 生物柔性生物柔

8、性是指生物体本身一部分相对另一部分发生了非线性的大变形，但在外力作用下有能恢复原位的才干。生物柔性普通包含两方面的含义：一方面是生物体产生的非线性大变形的缘由不仅与外力的作用有关,而且还与其本身的外形、尺寸、弹性模量等有关；另一方面是指大变形是可以恢复的,但必需借助外力或本身鼓励12,13。通常可将柔性变形分为以下三种12,14：一维形变线形变：单位时间内发生的伸长量，相当于线应变率。二维形变面形变：单位时间内发生的面积形变量，相当于面应变率。三维形变体形变：单位时间内发生的体积型变量，相当于体应变率。在研讨中用于表征生物体产生大变形的才干与程度的量，称为生物柔度，也称生物柔性柔度。但其与普通

9、力学中定义的柔度不同，它不仅与资料本身性质有关，也与资料尺寸、外形有关；用资料的单行模量与屈服极限应力之比表示，而不是仅用资料的弹性模量的倒数表示，另外其尺寸外形部分用长细比表示。根据生物体表的根本构成单位即柔性单元的空间运动形状，可以将生物柔性的运动方式分为挪动柔性、转动柔性、振动柔性和动摇柔性四种类型，它们可以相互转换与复合。根据生物柔性根本的特征与功能总结部分有代表性生物的共同特点，采用资料力学中队研讨单元的分类方法，可以将生物柔性的单元分为以下三类：大柔性杆单元纤毛、刚毛。许多生物田鼠、黄鼠的体表组织有纤毛或刚毛，它们起到支撑、感知、缓冲、减阻等作用。刚性板单元鳞片、硬壳。像穿山甲、蜣

10、螂等具有巩固外壳的土壤动物，其巩固外壳可看作室刚性板单元。柔性体单元柔性基质。大多数生物肌体组织由于其良好的柔性构造，可将其看作为柔性体单元。根据田鼠毛的特征与行为及对其他种类土壤动物体表形状的分析，土壤动物体表柔性特性归纳为以下几类：在外形构造上，土壤动物的柔性体表，正视为圆形或椭圆形，侧视呈流线型；柔性体表由几何非光滑构造单元组合而成，各构造单元之间或以韧带或以皮肤柔性地衔接着，构造单元本身有刚性的穿山甲鳞片、柔性的田鼠毛或弹性的蚯蚓体表；非光滑构造单元之间能产生相对转动、挪动或膨胀-收缩。3 生物柔性的脱附原理和实现方式13-16土壤对固体外表的粘附包括法向粘附作用和切向粘附作用，在减轻

11、土壤法向粘附时，生物体表及其体表部分减产生的挪动柔性、转动柔性、振动柔性和动摇柔性，会呵斥土壤对柔性非光滑外表无法压实，有效地减少了柔性非光环体表上的任一接触单元与土壤之间的延续接触时间，使粘附界面的粘附强度减弱。同时，柔性非光滑构造与体表憎水性一同使生物体表与土壤间易构成复合界面，在生物体表的波谷处构成空气截流，生物体表部分的柔度不同，使土壤对生物柔性非光滑体表上部分的粘附程度不同，粘附界面无法构成延续的水膜，从而降低了土壤的粘附才干。生物体表柔性和非光滑的综协作用，导致柔性非光滑具有良好的防粘功能。切向粘附构成界面滑动阻力的一部分，根据摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)定律，当触土外表

12、为柔性非光滑外表时，其几何非光滑性质使界面接触面积减小；鼠毛的憎水性与几何非光滑构造的综协作用产生润湿滞后，使界面水膜与柔性非光滑之间构成复合界面，土壤对其的粘附力下降。4 田鼠的生物柔性脱附生物柔性是土壤动物体表乃至生物界存在的力学景象。土壤动物柔性普通是经过其体表非光滑构造单元来实现的，这种柔性与体表非光滑构造具有良好的脱附减阻功能。田鼠属于脊索动物门脊椎动物亚门哺乳纲，顺应于黏湿的土壤环境，是一种典型的土壤动物，多数栖居于靠水而潮湿的地方,如挖地、水渠两旁或稻田埂旁，挖洞穴居13,17。田鼠全身被毛，身不粘土，是典型的柔性脱土动物。田鼠的毛是其柔性单元，可分为真毛和绒毛两种，均表皮角质化

13、。田鼠毛由毛干和毛根组成，露于表皮的毛干，埋于皮下的为毛根，毛根下面膨大部分为毛球,内含毛乳头,围绕于毛根外为毛囊组织，竖毛肌衔接毛根和毛囊，田鼠毛干外表具有环纹形鳞片。从毛干的根部至梢部，鳞片密度逐渐增大，根部密度为8-10列/100m，梢部密度为20-30列/100m，具有菱纹形几何非光滑形状，每一环纹形鳞片为一个构造单元，毛干是由这样的构造单元线性组合而成，每两个构造单元之间可产生弯曲变形，对整个毛干而言，当遭到外力作用使，将呈现出柔性。田鼠毛的生长方向与其前进方向相反，鼠毛排布使其组合成柔性的非光滑外表，此时，每一根鼠毛称为一个构造单元，全部鼠毛构成了田鼠的柔性体表。在毛根处，竖毛肌牵

14、拉毛囊和毛根运动，使毛干产生运动或振动。田鼠毛的各部分的柔性不同，具有多层次。田鼠在掘土过程中，经过其本身不同柔性段之间存在的非线性的大变形与复原的柔性运动脱掉身上粘有的土壤。柔性变形还能吸收能量，降低系统粘附力与摩擦热，各身体柔层段还可以储流、通流，减弱接触面间的粘附强度，从而到达不粘的效果。另外，黄鼠皮毛外表含有憎水性的蜡质层，这种憎水外表也有减粘脱土的功能。5 田鼠的生物柔性脱附仿生运用生物柔性是生物特有的一种功能，研讨发现其对于某些生物具有减粘降阻功能等重要作用，利用工程仿生学的手段来模拟生物的功能单位，以运用于工程，具有艰苦的实践意义13。生物柔性仿生的根本思想是在研讨土壤动物可以减

15、粘脱土的构造的根底上，利用工程手段仿制土壤动物体表柔性构造单元，在地面机械触土部件上设计一系列具有柔性特征的功能部件或辅助部件，使其具有明显的脱附减粘的作用。生物柔性仿生技术在发掘机、斗轮机、火车、煤矿车上有宽广的运用前景。根据黄鼠、田鼠毛的柔性构造的脱附功能，吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室研制开发了自卸车、发掘机铲斗、运煤矿车的仿生柔性内衬以及仿生柔性镇压辊等，具有广泛的运用15。6 终了语生物柔性及其仿生技术是工程学科与生命学科交叉的前沿性研讨课题，是多学科交叉的前沿性科学，将创建工程仿生学新的生长点，开辟新的知识创新体系，有明显源头创新的特征，研讨内容包括生物学、工程仿生学、机

16、械学、生物力学、控制实际、界面实际等多个学科。生物柔性研讨重点包括生物柔性功能、特性和作用机理的阐明以及生物柔性的脱附、减阻、减粘作用的关键技术的开发运用，尤其是对具有典型生物柔性功能的土壤动物的研讨及其仿生，将其运用于工程机械，具有艰苦的意义。随着对土壤动物的脱附减阻功能研讨的深化，我们置信，仿生脱附减阻在实际包括生物电渗脱附、体表光滑脱附体表柔性脱附以及其耦协作用和技术上都会获得令人鼓舞的提高。参考文献1 任露泉,陈德兴,陈秉聪.土壤粘附研讨概述J.农业工程学报,1990,6(1):1-7.2 任露泉,李建桥,田丽梅.地面机械仿生减粘减阻技术C.中国农业机械学会2006学术年会论文集,20

17、06:638-649.3 荣长发.减粘脱土研讨情况综述J.农业与技术,1996,1:29-31.4 任露泉.地面机械脱附减阻仿生研讨进展J.中国科学,2021,38(9):3-4.5 Ren L Q, Wang Y E, Li J Q, et a1.Flexible unsmoothed cuticles of soil animals and their characteristics of reducing adhesion and resistanceJ.Chinese Science Bulletin,1998.43(2):166-169.6 Cong Q, Ren L Q, Chen

18、 B C, et al.Using characteristics of burrowing animals to reduce soil-tool adhesionJ.TASAE, 1999, 42(6): 1549-1556.7 刘国敏.蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生研讨D.长春:吉林大学,2021.8 Lu Quan Ren, Jin Tong, Jian Qiao Li, Bing Cong Chen. Soil adhesion and biomimetics ofsoil-engaging components:a ReviewJ. J.Agric.Engng Res.2001,79(3),239-263.9