仿生學(xué)及其農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用課件

農(nóng)業(yè)工程仿生技術(shù)主講人：張金波佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院農(nóng)機(jī)教研室

內(nèi)容奇異的仿生學(xué)仿生學(xué)的誕生仿生學(xué)的發(fā)展研究方法仿生學(xué)在農(nóng)業(yè)工程上的應(yīng)用農(nóng)業(yè)工程與仿生學(xué)農(nóng)業(yè)工程仿生技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)奇異的仿生學(xué)仿生學(xué)的誕生

什么是仿生學(xué)：仿生學(xué)是一門模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。簡(jiǎn)言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。仿生學(xué)發(fā)展從遠(yuǎn)古時(shí)期開始，人們就已經(jīng)開始了對(duì)自然界中生物的某些特有的功能和結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，并應(yīng)用與日常生產(chǎn)。熊、虎、鳥鹿、猿飛行器的雛形：《韓非子》記載：魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”；意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。飛機(jī)的誕生及發(fā)展：蝙蝠和雷達(dá)飛機(jī)機(jī)翼震顫問題當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng)，飛行越快，機(jī)翼的顫振越烈，甚至使機(jī)翼折斷，造成飛機(jī)墜落。電子蛙眼人工冷光螢火蟲發(fā)出冷光一般不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光很柔和，很適合人類的眼睛，光的強(qiáng)度也比較高。壁虎與附著技術(shù)其他具有附著功能的生物爪仿生技術(shù)與建筑工程外形酷似疊放在一起的貝殼，設(shè)計(jì)者的靈感來自于剝開的橘子。仿生學(xué)住宅啄木鳥的頭部結(jié)構(gòu)非常有利于保護(hù)其腦部組織，確保不會(huì)發(fā)生腦震蕩。啄木鳥的頭部有一套嚴(yán)密的防震裝置。啄木鳥的頭顱非常堅(jiān)硬，但骨質(zhì)卻似海綿，疏松而充滿氣體，顱殼內(nèi)有一層堅(jiān)韌的外腦膜，外腦膜與腦髓間有1個(gè)狹窄的空隙，可減弱震波的傳導(dǎo)。頭部的橫切面顯示，它的腦組織十分嚴(yán)密，再加上啄木鳥頭部?jī)蓚?cè)還有強(qiáng)有力的肌肉系統(tǒng)，也起著防震作用。以6m/s的速度敲擊樹干，承受超過千倍重力減速度的力。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示結(jié)果如圖。仿生學(xué)研究方法：生物原型數(shù)學(xué)模型實(shí)物模型從生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)并提取出具體問題，根據(jù)自然界中某些生物所具有的特殊功能，針對(duì)問題進(jìn)行量化分析。借助數(shù)學(xué)手段及現(xiàn)代逆向工程技術(shù)，完成生物體信息的提取，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的建模功能建立幾何結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行必要的模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。工程應(yīng)用現(xiàn)代加工制造技術(shù)完成具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)設(shè)備。農(nóng)業(yè)工程仿生技術(shù)應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生減阻技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生減粘技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生粘附技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生耐磨技術(shù)仿生減阻技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作過程中大多都以土壤為作業(yè)對(duì)象，而在作業(yè)過程中需要克服土壤阻力。如整地機(jī)械(犁、鏵、旋耕機(jī)、深松機(jī)、靶等)；播種機(jī)，施肥機(jī)，除草機(jī)等。耕作阻力大必然導(dǎo)致能耗升高，不利于綠色、環(huán)保、節(jié)約、可持續(xù)發(fā)展新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，農(nóng)業(yè)科技人員對(duì)降低農(nóng)機(jī)耕作阻力做了大量的研究工作，其中即包括基于仿生學(xué)原理的農(nóng)業(yè)機(jī)械減阻技術(shù)。幾何非光滑雌性蜣螂LabrumLabrum雄性仿生減阻技術(shù)對(duì)蜣螂體表觸土部位進(jìn)行了仿生學(xué)研究，結(jié)果表明，這種非光滑結(jié)構(gòu)表面具有良好的減粘降阻特性，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，這種減粘降阻效果尤為顯著。根據(jù)這一特性，設(shè)計(jì)了凸包型仿生犁壁，并在室內(nèi)土槽和室外田間進(jìn)行了耕作對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，室內(nèi)土槽試驗(yàn)的減阻率為6.6%-12.7%，仿生犁的阻力波動(dòng)比普通的略大，由此顯示出仿生犁壁的震動(dòng)效果，且隨著耕作速度的增加，降阻效果愈加明顯，進(jìn)一步證明了仿生犁壁在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下仿生非光滑結(jié)構(gòu)能夠有效地減小實(shí)際接觸界面面積，從而使仿生犁具有顯著的降阻效果；仿生犁的田間試驗(yàn)減阻率為15%-18%，節(jié)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(李劍橋等，1996)。對(duì)與車蜣螂推、滾糞球關(guān)系最為密切的頭部唇基表面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)具有凸起和凹陷的非光滑結(jié)構(gòu)，同時(shí)凹陷內(nèi)部有短剛毛，凸包高度約為20μm，長(zhǎng)50-70μm，寬40-60μm，間距為100-200μm，呈點(diǎn)狀分布。對(duì)車蜣螂的體表體電位進(jìn)行了測(cè)量，其值因身體部位不同而有差異，其中頭部唇基的體電位為4-20mV。根據(jù)上述特征，設(shè)計(jì)了仿生凸包型電滲減粘降阻推土板，并進(jìn)行了實(shí)際推土作業(yè)對(duì)比分析，結(jié)果表明，在通電12V的情況下，仿生非光滑推土板與普通平板相比，能夠降低推土阻力30%-41%，降阻效果顯著。光滑推土板仿生非光滑推土板鼴鼠具有極高的土壤挖掘效率，這主要得益于其爪趾幾何結(jié)構(gòu)特征優(yōu)良的力學(xué)性能，這為農(nóng)業(yè)機(jī)械土壤耕作部件的仿生設(shè)計(jì)提供了學(xué)習(xí)的對(duì)象。鼴鼠的這一優(yōu)良特性使之應(yīng)用于深松鏟、犁鏵、旋耕刀、碎茬刀等觸土部件的仿生設(shè)計(jì)成為了可能。利用鼴鼠爪趾的高效挖掘性能設(shè)計(jì)仿生旋耕-碎茬刀片，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一次進(jìn)地完成碎茬和旋耕兩種作業(yè)，而且節(jié)省了作業(yè)成本，同時(shí)避免了拖拉機(jī)對(duì)耕地的過度碾壓。研究表明，與國標(biāo)普通旋耕、碎茬刀片相比，旋耕-碎茬通用到片的耕深穩(wěn)定性達(dá)到93%以上，碎茬率、碎土率以及根茬覆蓋率分別為81.8%、87.9%和87.2%，實(shí)現(xiàn)了旋耕、碎茬機(jī)具的通用，作業(yè)質(zhì)量完全符合農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，提高了旋耕、碎茬的作業(yè)效率，節(jié)省了設(shè)計(jì)制造成本（汲文峰旋耕-碎茬仿生刀片）。鼴鼠土壤動(dòng)物蚯蚓生活在土壤中，身體呈節(jié)狀，節(jié)上端自11-12節(jié)直至后端沿背部中線分布有背孔。背孔平時(shí)關(guān)閉，環(huán)境干燥、鉆土或遇到刺激時(shí)張開并分泌潤(rùn)滑液，利于蚯蚓呼吸和在土壤中穿行，這種體液是由體表生物電所致。蚯蚓身體分泌潤(rùn)滑液這一特性使其能夠在土壤中穿行而毫不費(fèi)力，這說明這種特性具有很好的減阻功能。利用蚯蚓的這一特殊功能，仿生設(shè)計(jì)了凹坑、倒角通孔和通孔三種仿生非光滑電滲表面裝置并進(jìn)行了操作試驗(yàn)，結(jié)果表明，在混合潤(rùn)滑條件下，與蚯蚓背孔原理相類似的通孔形仿生非光滑結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)良的減阻、耐磨特性。蚯蚓體表粘液三層介質(zhì)結(jié)構(gòu)電滲前推土板電滲后推土板電滲前葉輪葉片電滲后葉輪葉片仿生粘附(附著)技術(shù)在日常生活中經(jīng)常可以看到有些動(dòng)物如蒼蠅、螞蟻、蜜蜂、蜘蛛、甲蟲、壁虎等在光滑表面上爬行或停留，甚至在玻璃等異常光滑的表面也能行動(dòng)自如。盡管有時(shí)是在豎直的光滑表面亦或倒掛在下表面也從不會(huì)因此而滑落。這些動(dòng)物之所以能夠具備這樣的攀爬及附著本領(lǐng)，主要是得益于其所具有的優(yōu)良的附著機(jī)構(gòu)和功能。根據(jù)形態(tài)的不同，動(dòng)物的附著器官可以分為爪子、爪墊、中墊、跗墊、剛毛等。生物能夠利用爪子上的爪墊與剛毛附著在表面的附著機(jī)理與其附著組織器官的結(jié)構(gòu)密不可分。剛毛是動(dòng)物的主要附著器官，其末端一般都是平的，這構(gòu)成了尖端的接觸單元，尺寸范圍為：甲蟲7m左右，蒼蠅1-2m，尖端接觸單元扮演著與表面附著的重要角色。爪墊是動(dòng)物的另一種主要附著器官，爪墊與表面的粘附強(qiáng)度取決于接觸單元的數(shù)量以及能夠與接觸界面產(chǎn)生緊密接觸的能力。壁虎蒼蠅蜘蛛螞蟻爬山虎各種仿生攀爬裝置仿生減粘脫附技術(shù)濕潤(rùn)土壤與固體表面的粘附主要源于接觸面間水膜的毛細(xì)引力和粘滯阻力，這兩種力是粘附界面間液體分子相互作用的宏觀表現(xiàn)。對(duì)土壤粘附系統(tǒng)而言，粘附力隨著接觸面面積的增大而增大。當(dāng)界面處于連續(xù)水膜接觸狀態(tài)時(shí)，粘附力隨著界面水膜的厚度增加而降低。因此，減小接觸面的接觸面積或增加連續(xù)水膜厚度是降低土壤對(duì)接觸面粘附的有效途徑。土壤對(duì)農(nóng)業(yè)土壤工作部件觸土表面的粘附不僅導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量和工作效率下降，而且增大了能耗，甚至損壞機(jī)具。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)耕翻機(jī)械、精密播種機(jī)械、精密施肥機(jī)械、栽植機(jī)械、收獲機(jī)械等等的使用數(shù)量都在逐年增加，迫切需要行之有效的防粘降阻技術(shù)來改善其作業(yè)質(zhì)量，提供工作效率。

傳統(tǒng)的防粘減阻技術(shù)的研究一般都集中在機(jī)具防粘減阻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)。仿生不粘炊具—國家重大基礎(chǔ)研究前期研究專項(xiàng)項(xiàng)目鯊魚鯊魚皮微觀結(jié)構(gòu)鯊魚皮泳衣微結(jié)構(gòu)鯊魚皮泳衣鯊魚皮泳衣減阻機(jī)理仿生耐磨技術(shù)損普遍存在于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，而且由于磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。尤其對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械土壤機(jī)具，其觸土部件在工作過程中持續(xù)受到土壤的磨料磨損，致使其使用壽命縮短，增加了生產(chǎn)成本。土壤對(duì)農(nóng)機(jī)觸土部件的磨料磨損是導(dǎo)致其失效的主要形式。因此，提高這些部件的耐磨性能，對(duì)于提高其技術(shù)水平，節(jié)約材料，提高工作效率，具有重要的實(shí)際意義和科學(xué)價(jià)值。翼形深松鏟磨損形貌非翼形深松鏟磨損形貌傳統(tǒng)的耐磨性提高方法：1.純材料的角度入手2.特殊的熱處理工藝3.現(xiàn)代表面技術(shù)4.先進(jìn)涂層技術(shù)5.改善工作環(huán)境存在的問題：工藝復(fù)雜，造價(jià)高農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生耐磨技術(shù)：不額外增加制造成本，且能夠滿足技術(shù)要求。

沙漠中的沙魚沙魚體表結(jié)構(gòu)鋼表面玻璃表面生活在Sahara沙漠中的沙魚（Sandfish）體表覆蓋鱗片形幾何結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)使沙魚具有優(yōu)異的抗風(fēng)沙沖蝕磨損的能力，在相同試驗(yàn)條件下，經(jīng)10小時(shí)沖蝕磨損，沙魚表面的耐磨性明顯高于鋼和玻璃表面。

蛇、蜥蜴等動(dòng)物在土壤或沙表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的身體幾何結(jié)構(gòu)表面亦與土壤、沙相互作用而發(fā)生磨料磨損現(xiàn)象，但都顯示出優(yōu)良的耐磨性能，這主要得益于其幾何結(jié)構(gòu)表面發(fā)揮了重要的作用。竹材具備較高的耐磨特性。在以砂紙為對(duì)摩材料進(jìn)行的竹材橫斷面磨料磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其最大磨損速率出現(xiàn)在竹桿中間靠近內(nèi)表層附近，與硬度分布一致。在泥沙磨料磨損條件下，竹材的磨損速率與竹纖維與滑動(dòng)表面的取向關(guān)系密切相關(guān)，磨損速率在竹纖維垂直方向比平行方向低；當(dāng)竹纖維與滑動(dòng)界面處于垂直方向時(shí)，其表面層一定深度的基體組織被首先磨去，使纖維端頭突出于基體之上，形成一種具有幾何結(jié)構(gòu)特征的磨損表面幾何形態(tài)，這是一種由磨損過程形成的耐磨幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)，泥沙粒子在這種幾何結(jié)構(gòu)表面上易于產(chǎn)生滾動(dòng)，使其表現(xiàn)出很高的耐磨性，并且其耐磨性隨著竹纖維密度增大而提高。（佟金，2001）。竹材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)竹材磨損表面微結(jié)構(gòu)耐磨生物材料及仿生應(yīng)用蜣螂體表結(jié)構(gòu)櫛孔扇貝殼體環(huán)紋蛤表面蛤蜊瓣穿山甲穿山甲鱗片棱紋表面隕石表面凹坑結(jié)構(gòu)高爾夫球表面仿生非光滑金剛石鉆頭仿生鉆頭鉆巖后的非光滑唇面

人造金剛石鉆頭水泵葉輪非光滑形態(tài)-2試驗(yàn)比較分析水泵葉輪非光滑形態(tài)-1水泵葉輪200QJ50-26離心式水泵

仿生非光滑水泵葉輪—國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目

扇貝貝殼仿生技術(shù)其他領(lǐng)域應(yīng)用仿生無痛注射器仿生無痛注射器非光滑形態(tài)試驗(yàn)結(jié)果曲線蚊子口