生物電滲脫附減阻-蚯蚓

1、蚯蚓的生物電滲脫附減阻及其應用前言地面機械（包括在地面上行走的載運機械和車輛以及以地表和土壤為作業(yè)對象的農(nóng)業(yè)機械和鏟運機械）的觸土部件的脫附減阻一直是國內(nèi)外許多學者致力研究的重要技術問題，特別是土壤(旱田、水田)、灘涂、濕地、沼澤、雪地、沙漠等對車輪、履帶和作業(yè)部件表面的粘附和阻力，嚴重影響機械的工作效率、使用壽命和作業(yè)質(zhì)量，增大能量消耗，甚至使機械無法正常運行、作業(yè)1,2。大量的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐以及科學研究表明，土壤等黏濕物料的粘附問題嚴重影響和制約著眾多工程領域的發(fā)展。在車輛工程領域，即使性能優(yōu)良的越野汽車輪胎，在黏濕地帶也會因粘土的粘附和滯留變成光輪而失去行駛能力3,4；在土方工程領域，土

2、壤對裝載機鏟斗、挖掘機挖斗、自卸車車廂等工作部件的粘附積土量可達其斗(廂)額定容量的20%50%，降低生產(chǎn)率30%5；在農(nóng)業(yè)工程領域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上，耕種機械能耗增加30%50%，使播種機械減少出苗率5%10%；在能源工程領域，煤礦礦車和發(fā)電廠斗輪機輪斗平均粘煤量可達其額定容量的40%，降低生產(chǎn)率30%47%1,2,6。因此，許多學者把土壤粘附問題視為地面運載、挖掘、耕作機械領域的重大難題而競相研究。但是，因其依據(jù)的是經(jīng)典理論，采用的是傳統(tǒng)方法，故未能做出質(zhì)的突破7。自古至今，自然界的生物是人類的進步的重要源泉，為人類提供包括各種技術思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。自然界的生

3、命經(jīng)歷了長期的進化，在經(jīng)過大自然優(yōu)勝劣汰的法則下，為了適應環(huán)境和維持生存的需要進化出各種各樣的形態(tài)和結構，這些形態(tài)、結構及其功能的仿生解決了許多技術難題。原吉林工業(yè)大學(現(xiàn)吉林大學)的研究人員任露泉教授等在近10年的時間里，踏踏實實地對6門10綱1萬多只土壤動物進行了系統(tǒng)的、大量的生物測試、理論分析、計算機模擬和試驗8，發(fā)現(xiàn)其具有完善的減粘脫土功能，表現(xiàn)出其與生存環(huán)境的高度統(tǒng)一，如軟體動物蝸牛(Fruticicda)，環(huán)節(jié)動物蚯蚓(Eisenia foetida)，節(jié)肢動物螻蛄(Gryllotalpa)、螞蟻(Formicidae)及蜣螂(Catharsiusmolossus L)，哺乳動物穿

4、山甲(Manis pentadactyla)、黃鼠（Citellus dauricus）等，能完全適應黏濕的土壤條件，在其中能夠自如活動而毫不粘土1,6。土壤動物在行走和“工作”兩部分都具有明顯的脫附減阻功能，而且其整個體表或全身都有脫附減阻的能力。研究表明，土壤動物的這一特殊功能，是多個因素共同作用的結果，包括生物的形態(tài)、結構、構成、柔性、電滲、潤滑及其協(xié)同、耦合、復合等，這些因素及其相互協(xié)同作用，形成了生物體自身具有的脫附減阻功能特性1,9。探索土壤動物這種優(yōu)異的減粘脫土功能，對于地面機械的減粘脫土具有重要的實際意義和廣闊的應用前景。蚯蚓是一種典型的土壤動物，在黏濕的土壤環(huán)境中能活動自如而

5、毫不粘土，其優(yōu)異的減粘脫土功能是其體表結構、體表電滲、體表潤滑、體表柔性以及其特有的運動方式等多因素耦合作用的結果6,10。本文主要介紹蚯蚓的體表電滲及其應用前景。1 蚯蚓及其脫附1.1 蚯蚓的概述11-13蚯蚓是一種典型的土壤動物，屬于環(huán)節(jié)動物門寡毛綱后孔寡毛目陸生動物。蚯蚓生活在土壤中，世界上大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)都有蚯蚓的存在，但海洋是蚯蚓的天然屏障，沙漠和終年冰雪區(qū)也非常少見。蚯蚓是晝伏夜出型動物，以畜禽糞便和有機廢物垃圾為食，連同泥土一同吞入。蚯蚓一般體長約60120mm，體重約0.74g。蚯蚓身體呈圓筒形，褐色稍淡，約由100多個體節(jié)組成。前段稍尖，后端稍圓，在前端有一個分節(jié)不明顯的環(huán)帶。

6、腹面顏色較淺，大多數(shù)體節(jié)中間有剛毛，在蚯蚓爬行時起固定支撐作用。在11節(jié)體節(jié)后，各節(jié)背部背線處有背孔，有利于呼吸，保持身體濕潤。蚯蚓生活在潮濕、疏松和肥沃的土壤中，依據(jù)蚯蚓的習性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能，蚯蚓一般被分為3種生態(tài)類群，即表棲類、內(nèi)棲類和深棲類，不同生態(tài)類群的食性和習性迥異。表棲類主要取食土表凋落物，少量或不取食土壤，一般沒有洞穴，遇到干擾時會快速運動離開；內(nèi)棲類取食礦質(zhì)層特別是多有機物土壤，在1015cm土層有連續(xù)而廣泛但非永久的水平洞穴，其行動遲緩；深棲類在土表分解凋落物或?qū)⒌蚵湮锿先攵囱?，有時取食土壤，一般具有深入土壤3m，大而永久性的垂直洞穴，遇到干擾時會快速縮回洞穴。蚯蚓是

7、通過肌肉收縮（環(huán)肌和縱肌交替舒張和收縮）向前移動的，其運動時，一些體節(jié)的縱肌層收縮，環(huán)肌層舒張，則此段體節(jié)變粗變短，表現(xiàn)為收縮態(tài)，著生于體壁上的剛毛伸出，插入周圍土壤；此時其前一段體節(jié)的環(huán)肌層收縮，縱肌層舒張，此段體節(jié)變細變長，表現(xiàn)為舒張態(tài)，剛毛縮回，與周圍土壤脫離接觸，如此，由后一段體節(jié)的剛毛支撐，即推動身體向前運動6。1.2 蚯蚓的脫附特征4,6,7,9,10蚯蚓是一種典型的土壤動物，其能夠在黏濕土壤中活動自如而毫不粘土，這主要是與其體表的一些特征（如體表結構、體表柔性、體表潤滑以及體表電滲）及其特有的運動方式相關的。 體表結構蚯蚓體呈圓柱狀，細長，各體節(jié)相似，節(jié)與節(jié)之間為節(jié)間溝。頭部不明

8、顯，由圍口節(jié)和可伸縮蠕動的口前葉組成，圍口節(jié)為第1體節(jié)，自第2體節(jié)始環(huán)生著剛毛，此為蚯蚓的運動器官，在運動和“工作”中起支持作用 體表柔性任露泉等對蚯蚓體表柔性及其防粘特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)蚯蚓具有有利于土壤脫附的柔性非光滑表面，在地面爬行時為二維柔性非光滑表面，而在土壤中掘穴時就轉(zhuǎn)化為三維柔性非光滑體。這種特殊表面能產(chǎn)生柔性變形和非光滑效應，具有明顯的防粘特性。 體表潤滑潤滑是生物減小摩擦阻力的有效方式，許多土壤動物體表會分泌具有潤滑功能的體表液。蚯蚓是典型的具有體表分泌液的土壤動物，當蚯蚓在土壤中運動或受到刺激時，便從體腔內(nèi)分泌出液體物質(zhì)。蚯蚓體表液是含有粘蛋白的水的稀溶液，體表液成為界面滑

9、動的剪切層，在蚯蚓與土壤滑動接觸過程中具有體表潤滑作用。 體表電滲蚯蚓在運動過程中，體表部分受到土壤作用產(chǎn)生局部變形，引發(fā)體表產(chǎn)生動作電位，相對于未運動體表部位呈負電位，正極和負極在同一表面。當體表多個部位受到刺激，就產(chǎn)生多處分布的負電位區(qū)。由于正負電位區(qū)距離短，電位差使靠近體表的水合陽離子向接觸區(qū)流動，產(chǎn)生電滲現(xiàn)象，改善界面水潤滑，從而降低界面水膜張力和黏滯力，使土壤粘附力和摩擦力減小。孫久榮、任露泉等對蚯蚓體表不同部位電位進行了測定。結果表明，靜息時體表電位為零；運動中頭部、體中部和尾部的單環(huán)間體表電位分別為21±11、11±6.6和11±4.0毫伏。所以，蚯

10、蚓體表電位的幅度、時程、波形和頻率與蚯蚓的運動狀態(tài)有著密切的關系。 運動方式蚯蚓是通過肌肉收縮來運動的，觀察蚯蚓的運動發(fā)現(xiàn)，蚯蚓在土壤中打洞前行時，其前端的口前葉尋找一個合適的縫隙伸入其中，然后膨脹起來，像楔子一樣插入土中，其后部體節(jié)伸出剛毛，固定后端，而后再收縮前端的環(huán)肌產(chǎn)生向前的推力，使前部體節(jié)向前推進。環(huán)節(jié)的收縮沿著體節(jié)一節(jié)一節(jié)地向后傳輸，當環(huán)肌收縮后，前部的縱肌收縮，使蚯蚓身體后端向前拉，環(huán)肌與縱肌協(xié)調(diào)地收縮使蚯蚓向前運動2 電滲脫附減阻松散黏濕物料對工作部件表面的粘附是一種普遍存在的現(xiàn)象，而土壤對工作機械的觸土部件的粘附最為嚴重和最具代表性。為了減少土壤粘附以降低土壤阻力，國內(nèi)外的學

11、者從不同角度進行了理論和試驗研究，開發(fā)了很多減粘降阻的實用方法和技術1。理論研究表明，土壤與固體材料之間的水膜對土壤的粘附起著決定性的作用，這層水膜的厚度影響著土壤的粘附力，水膜越厚，土壤的粘附力越小。如果采用某種方法加大土壤和固體材料之間水膜的厚度，就能降低土壤對固體材料的粘附力，當粘附力小于土壤內(nèi)聚力時，就達到脫附減阻的效果14。電滲技術具有這種特性，電滲是指在電場的影響下，帶電荷的液體對攜帶相反電荷的固定介質(zhì)進行相對運動的現(xiàn)象。電滲現(xiàn)象與土壤膠體的雙電層結構有密切關系，列依斯實驗證明土壤粘粒是帶負電荷的，而土壤中的水分以水合陽離子的形式存在，帶有正電荷，所以電滲技術可以利用電場力的作用使

12、土壤中的水合陽離子向電場負極方向移動，從而使界面水膜厚度增加，起到減粘脫附的作用。例如，在樁基的施工過程中采用電滲方法，可以降低沉樁阻力，提高沉樁速度；將電滲技術應用在耕作機械上，可以減少粘附，降低犁耕阻力?，F(xiàn)有的常規(guī)電滲技術在應用時，正極與負極是分離布置的，就是將工作機械的工作部件的表面作為負極，另設一部件作為正極，這種方式成為分離式電滲。由于這種電滲的正負極是分離布置的，兩者相距較遠，電場強度比較弱，要取得較好的電滲效果就需要比較大的電滲電壓，約為100300V，所以這種電滲方式電能消耗大，安全性較差。為了解決這個問題，吉林大學的任露泉教授等研究了蚯蚓的生物電系統(tǒng)，測量各個不同部位的電位，

13、基于生物表面電滲現(xiàn)象，提出了整體表面低壓仿生電滲原理，將正負極布置于同一表面，與觸土面形成一體，電滲電壓將至1224V14。3 蚯蚓的生物電滲自然界中生物體表組織經(jīng)過億萬年的進化和優(yōu)化，具有非常獨特的結構和功能，這些獨特的結構和功能的仿生隨著科學技術的發(fā)展被越來越多的領域所重視和應用。比如受到響尾蛇的啟發(fā)研制的紅外線探測器，受到海豚本能的啟示研制的聲納1。土壤動物生活在土壤中，能夠活動自如而毫不粘土，現(xiàn)在以蚯蚓為例來說明土壤動物體表生物電的電滲減粘脫土機理。蚯蚓生活在粘性潮濕的土壤中，大多活動在地下25cm之內(nèi)的表層土中，這層對工作機械的觸土部件的粘附最為嚴重，而蚯蚓卻能不發(fā)生明顯的粘附作用。

14、通過對蚯蚓的生物電測試，發(fā)現(xiàn)蚯蚓在運動過程中，體表各部位存在著毫伏級的電位差，且體表電位均呈負電性，這就是土壤動物體表具有的與傳統(tǒng)分離式電滲完全不同的生物表面整體電滲現(xiàn)象14。蚯蚓在土壤中運動，靠的是前端各環(huán)節(jié)的縱肌伸長和環(huán)肌收縮向前移動的，各環(huán)節(jié)肌體表面受到周圍土壤不同程度的接觸、擠壓和摩擦等各種刺激，在體表相應部位產(chǎn)生不同大小的動作電位，相對那些固定的并未受到刺激的各環(huán)節(jié)肌體的體表電位呈負電性。蚯蚓體表各環(huán)肌體表面存在的電位差，必將在周圍土壤內(nèi)形成生物電場。生物電場的存在必然對土壤起到電滲作用，迫使肌體周圍的土壤內(nèi)的水合陽離子向先運動的各環(huán)肌體表面移動，從而在肌體表面形成一層有利于減粘脫附

15、的水膜6。蚯蚓體表的電滲作用方式與以往減粘脫附降阻的電滲技術不同。其體表電滲的特點是，正負極在肌體表面同時存在，雖然其電位幅值很小，只有毫伏級，但是卻有明顯的效果。這種正負極在同一表面的電滲稱為表面電滲，這正是蚯蚓的體表電滲優(yōu)于以往的常規(guī)電滲方面，進行蚯蚓的體表電滲仿生可以大大提高減粘脫附的效果，提高安全性（工作電壓降低為1224V）。4 蚯蚓的體表電滲仿生及應用蚯蚓作為土壤動物的典型代表，其身體表面的減粘脫附降阻的功能，使得其在黏濕的土壤中能夠行動自如，身體表面卻毫不粘土。這對于解決普通工作機械的觸土部件的粘土嚴重的現(xiàn)象提供了一種途徑，即對蚯蚓的減粘脫附功能的結構或機理進行仿生研究和應用，研

16、制具有減粘降阻功能的機械。蚯蚓的體表電滲系統(tǒng)在減粘脫附降阻中起著重要的作用，為了研究其原理及應用，先后有多位學者對此進行了研究。孫久榮15等對蚯蚓體表電位采用多種方法進行了測定，分析了蚯蚓體表電位與運動的關系，認為蚯蚓體表電位的幅度、時程、波形和頻率與蚯蚓的運動狀態(tài)有著密切的關系，測出了其體表電位值。任露泉、叢茜等提出了一種解決粘附問題的有效方法非光滑表面電滲技術（仿生表面電滲脫附方法），這種方法和傳統(tǒng)電滲技術相比，由于是仿土壤動物（蚯蚓）體表的電滲特征，把正負電極布置在同一工作部件表面上，大大縮短了電極的距離，也大大的降低電滲電壓（1224V）的使用。并將表面電滲技術應用在鏟斗上，有效地減少

17、了土壤的粘附，極大地提高了工作效率。研究表明，對于不同的黏濕物料，應用不同類型的仿生電滲，會產(chǎn)生不同的電滲效果。因此，在仿生電滲系統(tǒng)設計時，要充分考慮電極的形狀、尺寸和分布等。在具體設計時，還要注意地面機械觸土部件的作用方式和作業(yè)狀態(tài)。仿生電滲在觸土面相對運動速度較小或準靜態(tài)的界面粘附系統(tǒng)，具有明顯優(yōu)勢和大的應用潛力14。5 結束語蚯蚓普遍地存在于地球上除了冰川、沙漠、南北極等極端環(huán)境和海洋之外的各種生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中，反映出其具有驚人的生態(tài)適應能力。由于其對生態(tài)具有良好的改良作用，所以被廣泛譽為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”。蚯蚓在生態(tài)與農(nóng)業(yè)中的重要作用受到了國內(nèi)外專家學者的重視并開展了廣泛的研究，主要集中

18、于醫(yī)藥開發(fā)，垃圾處理，土壤改良，污水凈化，環(huán)境指示，生態(tài)恢復，食品加工等方面。蚯蚓是一種典型的土壤動物，在黏濕的土壤中能活動自如，毫不粘土。蚯蚓的減粘脫土特性隨著仿生學的興起，已越來越受重視，國內(nèi)外學者開始競相研究，提出蚯蚓的減粘脫土功能是與其體表非光滑結構、生物電滲系統(tǒng)、體表潤滑、體表柔性及復雜的伸縮運動密切相關的。蚯蚓的這些特性，特別作為代表的體表電滲的仿生越來越受到專家學者重視，他們研究蚯蚓體表的電滲系統(tǒng)，以此來進行研究，改善常規(guī)電滲中存在不足，并已取得了一定的效果，大大降低了土壤對工作機械觸土部件的粘附，顯著地提高了工作效率。相信隨著研究工作的深入，蚯蚓的生物電滲仿生能取得更大的進展。參考文獻1 任露泉.地面機械脫附減阻仿生研究進展J.中國科學,2008,38(9):1353.2 任露泉.地面機械脫附減阻仿生創(chuàng)新之路C. 中國農(nóng)業(yè)機械學會2008年學術年會論文集,2008:1.3 任露泉,佟金,李建橋等.松軟地面機械仿生理論與技術J.農(nóng)業(yè)機械學報,2000,31(1):5-9.4 任露泉,陳德興,陳秉聰.土壤粘附研究概述J.農(nóng)業(yè)工程學報.1990.6(1):1-7.5 Ren L Q,Wang Y E,Li J Q,et a