生物柔性脫附-田鼠

1、.文獻(xiàn)綜述PAGE ：.；PAGE - 7 -田鼠的生物柔性脫附及其運(yùn)用前言在人們的科研、消費(fèi)、生活以及其他活動(dòng)實(shí)際中，需求運(yùn)用越來越多的工程機(jī)械，這些工程機(jī)械中有些是以地面、土壤為任務(wù)對(duì)象，需求按一定的要求來處置地面，比如各種農(nóng)業(yè)機(jī)具、土方工程機(jī)械等；有些以地面為任務(wù)介質(zhì)，不希望破壞地面，比如在地面行走各種交通工具和軍事車輛等，它們被統(tǒng)稱為地面機(jī)械1,2。在運(yùn)用這些機(jī)械的過程中，人們發(fā)如今黏濕的任務(wù)環(huán)境中，其觸土部件的土壤粘附問題會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械的任務(wù)效率、運(yùn)用壽命以及作業(yè)的質(zhì)量，增大能量的耗費(fèi)，甚至使機(jī)械無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)和任務(wù)3,4。大量的工農(nóng)業(yè)消費(fèi)實(shí)際和科學(xué)研討闡明，土壤等黏濕物料的粘附嚴(yán)重影

2、響和制約著眾多工程領(lǐng)域的開展。一些研討闡明在車輛工程、土方工程、農(nóng)業(yè)工程和能源工程等諸多領(lǐng)域，土壤的粘附問題會(huì)呵斥了宏大的損失，比如，使車輛失去行駛才干、降低消費(fèi)率以及添加能耗等4-9。為理處理這個(gè)問題，許多專家學(xué)者把大量精神用來研討處理土壤粘附的問題，但是因其根據(jù)的是經(jīng)典實(shí)際，采用的是傳統(tǒng)方法，所以不斷未見艱苦突破4。科研任務(wù)者經(jīng)過大量的察看、實(shí)驗(yàn)和研討，發(fā)現(xiàn)自然界的很多生物具有脫附功能，尤其是土壤動(dòng)物具有非常優(yōu)良的脫附功能。這主要是它們?yōu)榱隧槕?yīng)環(huán)境和維持生存的需求，在自然界中經(jīng)過億萬年的進(jìn)化和演化，在經(jīng)過大自然有聲劣汰的法那么下，進(jìn)化出各種各樣具有防粘脫附功能的形狀和構(gòu)造，從而具有了獨(dú)特的

3、順應(yīng)土壤環(huán)境的生存才干。比如軟體動(dòng)物蝸牛，環(huán)節(jié)動(dòng)物蚯蚓，節(jié)肢動(dòng)物螻蛄、螞蟻和蜣螂，哺乳動(dòng)物穿山甲、和田鼠等，它們都具有非常完善的減粘脫土功能，從而都能在黏濕的土壤條件下活動(dòng)自若且毫不粘土4,7。土壤動(dòng)物在行走和“任務(wù)中具有明顯的減粘脫土功能，而且其整個(gè)體表或身體都具有減粘脫土的才干。探求和研討土壤動(dòng)物的這種優(yōu)良的減粘脫土功能，對(duì)于地面機(jī)械的減粘脫土具有重要的實(shí)踐意義和寬廣的運(yùn)用前景。田鼠是一種典型的土壤動(dòng)物，其在土壤中可以活動(dòng)自若，很好地完成發(fā)掘等任務(wù)且身體外表卻能毫不粘土，田鼠的這種優(yōu)良的減粘脫土功能主要是由于其身體是由多層次的柔性部分構(gòu)成，在其運(yùn)動(dòng)過程中，不同柔性段之間存在著非線性的大變形

4、與復(fù)原，這種相對(duì)柔性的運(yùn)動(dòng)可以脫掉土壤10。田鼠的這種柔性脫附減阻功能是工程仿生研討的一個(gè)重要方向，具有寬廣的運(yùn)用前景。1 田鼠的概述11田鼠是倉鼠科的一類，是嚙齒目倉鼠科田鼠亞科的通稱。與其他鼠類比較，田鼠的體型較結(jié)實(shí)，尾巴較短，眼睛和耳較小，耳殼略顯露于毛外。毛色差別很大，呈灰黃、沙黃、棕褐以及棕灰色等。田鼠可在多種環(huán)境中生活，從冰冷的凍土帶直至亞熱帶都有田鼠的存在。田鼠多為地棲種類，它們發(fā)掘地下通道或在倒木、樹根、巖石下的縫隙中做窩。田鼠有的白天活動(dòng)，有的夜間活動(dòng)，也有的晝夜活動(dòng)。多數(shù)以植物性食物為食，有些種類那么吃小動(dòng)物性食物。每年繁衍2-4次，每胎產(chǎn)仔5-14只，壽命約為2年。田鼠是

5、群居性非冬眠動(dòng)物。春季鼠窩中存糧減少或吃盡，田鼠活動(dòng)頻繁，饑不擇食；夏季田鼠處于懷孕、產(chǎn)崽、分窩頂峰期，活動(dòng)猖獗，竭力找尋食物；秋季田鼠積極儲(chǔ)糧，忙于奔走找食；冬季田鼠不冬眠，即使下了雪，黑夜仍會(huì)出洞活動(dòng)。 2 生物柔性概述2.1 生物脫附的類型針對(duì)工程機(jī)械觸土部件的土壤粘附問題，很多專家學(xué)者做了大量研討任務(wù)，以期處理這個(gè)問題，其中吉林大學(xué)的很多學(xué)者在此方面做出了宏大的奉獻(xiàn)。任露泉10教授中國(guó)科學(xué)院院士，經(jīng)過生物仿生的方法，獲得了很大的勝利。他在近10年的時(shí)間里，踏踏實(shí)實(shí)地對(duì)6門10綱1萬多只土壤動(dòng)物進(jìn)展了系統(tǒng)的、大量的生物測(cè)試、實(shí)際分析、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)，終于獲得了艱苦突破，探求出了多種不同

6、類型動(dòng)物遇黏不粘的機(jī)理。根據(jù)它們減粘脫附原理的不同，可以將其分為以下幾類：生物柔性。他們發(fā)現(xiàn)一些身體由多層次的柔性部分構(gòu)成的動(dòng)物，具有明顯的脫附功能，比如田鼠、蠐螬等。它們的脫附機(jī)理為：它們的身體外表呈現(xiàn)出一維、二維和三維的柔性分層，當(dāng)它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)或任務(wù)時(shí)，其本身不同柔性段之間存在著非線性的大變形與復(fù)原，這種相對(duì)柔性的運(yùn)動(dòng)可以脫掉身體外表粘有的土壤。此外，柔性變形還能吸收能量，降低系統(tǒng)粘附力與摩擦熱，身體的各柔性段還可以儲(chǔ)流、通流，減弱接觸面間的粘附強(qiáng)度，從而到達(dá)不粘的效果。生物非光滑。在研討中發(fā)現(xiàn)一些土壤動(dòng)物具有非光滑的身體外表，比如蜣螂、穿山甲等，它們也都具有明顯的脫附功能。這類土壤動(dòng)物的脫

7、附機(jī)理是其在黏濕的環(huán)境土壤等運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它們凹凸不平的身體外表會(huì)使與其接觸的土壤外表產(chǎn)生細(xì)微的振動(dòng)，導(dǎo)致兩者的接觸面積和作用時(shí)間減少，微振能破壞接觸面間延續(xù)的水膜，構(gòu)成動(dòng)態(tài)的部分空氣膜，從而減小了土壤與動(dòng)物體表間的粘附和摩擦，到達(dá)不粘的效果。生物電滲。發(fā)現(xiàn)一些運(yùn)動(dòng)著的土壤動(dòng)物如蚯蚓等的身體外表受土壤的作用會(huì)產(chǎn)生變形，引發(fā)出相對(duì)于未產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的體表部位的負(fù)電位，當(dāng)體表多個(gè)部位遭到刺激，就產(chǎn)生多處與正電位間隔 很短的負(fù)電位區(qū)，產(chǎn)生低壓高效電滲景象，使土壤粘附力和摩擦力減小，到達(dá)不粘的效果。除此之外，還發(fā)現(xiàn)一些土壤動(dòng)物具有特殊的幾何形體，爪趾構(gòu)形，體表構(gòu)造及分泌物等具有脫附作用。2.2 生物柔性生物柔

8、性是指生物體本身一部分相對(duì)另一部分發(fā)生了非線性的大變形，但在外力作用下有能恢復(fù)原位的才干。生物柔性普通包含兩方面的含義：一方面是生物體產(chǎn)生的非線性大變形的緣由不僅與外力的作用有關(guān),而且還與其本身的外形、尺寸、彈性模量等有關(guān)；另一方面是指大變形是可以恢復(fù)的,但必需借助外力或本身鼓勵(lì)12,13。通?？蓪⑷嵝宰冃畏譃橐韵氯N12,14：一維形變線形變：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生的伸長(zhǎng)量，相當(dāng)于線應(yīng)變率。二維形變面形變：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生的面積形變量，相當(dāng)于面應(yīng)變率。三維形變體形變：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生的體積型變量，相當(dāng)于體應(yīng)變率。在研討中用于表征生物體產(chǎn)生大變形的才干與程度的量，稱為生物柔度，也稱生物柔性柔度。但其與普通

9、力學(xué)中定義的柔度不同，它不僅與資料本身性質(zhì)有關(guān)，也與資料尺寸、外形有關(guān)；用資料的單行模量與屈服極限應(yīng)力之比表示，而不是僅用資料的彈性模量的倒數(shù)表示，另外其尺寸外形部分用長(zhǎng)細(xì)比表示。根據(jù)生物體表的根本構(gòu)成單位即柔性單元的空間運(yùn)動(dòng)形狀，可以將生物柔性的運(yùn)動(dòng)方式分為挪動(dòng)柔性、轉(zhuǎn)動(dòng)柔性、振動(dòng)柔性和動(dòng)搖柔性四種類型，它們可以相互轉(zhuǎn)換與復(fù)合。根據(jù)生物柔性根本的特征與功能總結(jié)部分有代表性生物的共同特點(diǎn)，采用資料力學(xué)中隊(duì)研討單元的分類方法，可以將生物柔性的單元分為以下三類：大柔性桿單元纖毛、剛毛。許多生物田鼠、黃鼠的體表組織有纖毛或剛毛，它們起到支撐、感知、緩沖、減阻等作用。剛性板單元鱗片、硬殼。像穿山甲、蜣

10、螂等具有鞏固外殼的土壤動(dòng)物，其鞏固外殼可看作室剛性板單元。柔性體單元柔性基質(zhì)。大多數(shù)生物肌體組織由于其良好的柔性構(gòu)造，可將其看作為柔性體單元。根據(jù)田鼠毛的特征與行為及對(duì)其他種類土壤動(dòng)物體表形狀的分析，土壤動(dòng)物體表柔性特性歸納為以下幾類：在外形構(gòu)造上，土壤動(dòng)物的柔性體表，正視為圓形或橢圓形，側(cè)視呈流線型；柔性體表由幾何非光滑構(gòu)造單元組合而成，各構(gòu)造單元之間或以韌帶或以皮膚柔性地銜接著，構(gòu)造單元本身有剛性的穿山甲鱗片、柔性的田鼠毛或彈性的蚯蚓體表；非光滑構(gòu)造單元之間能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、挪動(dòng)或膨脹-收縮。3 生物柔性的脫附原理和實(shí)現(xiàn)方式13-16土壤對(duì)固體外表的粘附包括法向粘附作用和切向粘附作用，在減輕

11、土壤法向粘附時(shí)，生物體表及其體表部分減產(chǎn)生的挪動(dòng)柔性、轉(zhuǎn)動(dòng)柔性、振動(dòng)柔性和動(dòng)搖柔性，會(huì)呵斥土壤對(duì)柔性非光滑外表無法壓實(shí)，有效地減少了柔性非光環(huán)體表上的任一接觸單元與土壤之間的延續(xù)接觸時(shí)間，使粘附界面的粘附強(qiáng)度減弱。同時(shí)，柔性非光滑構(gòu)造與體表憎水性一同使生物體表與土壤間易構(gòu)成復(fù)合界面，在生物體表的波谷處構(gòu)成空氣截流，生物體表部分的柔度不同，使土壤對(duì)生物柔性非光滑體表上部分的粘附程度不同，粘附界面無法構(gòu)成延續(xù)的水膜，從而降低了土壤的粘附才干。生物體表柔性和非光滑的綜協(xié)作用，導(dǎo)致柔性非光滑具有良好的防粘功能。切向粘附構(gòu)成界面滑動(dòng)阻力的一部分，根據(jù)摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)定律，當(dāng)觸土外表

12、為柔性非光滑外表時(shí)，其幾何非光滑性質(zhì)使界面接觸面積減??；鼠毛的憎水性與幾何非光滑構(gòu)造的綜協(xié)作用產(chǎn)生潤(rùn)濕滯后，使界面水膜與柔性非光滑之間構(gòu)成復(fù)合界面，土壤對(duì)其的粘附力下降。4 田鼠的生物柔性脫附生物柔性是土壤動(dòng)物體表乃至生物界存在的力學(xué)景象。土壤動(dòng)物柔性普通是經(jīng)過其體表非光滑構(gòu)造單元來實(shí)現(xiàn)的，這種柔性與體表非光滑構(gòu)造具有良好的脫附減阻功能。田鼠屬于脊索動(dòng)物門脊椎動(dòng)物亞門哺乳綱，順應(yīng)于黏濕的土壤環(huán)境，是一種典型的土壤動(dòng)物，多數(shù)棲居于靠水而潮濕的地方,如挖地、水渠兩旁或稻田埂旁，挖洞穴居13,17。田鼠全身被毛，身不粘土，是典型的柔性脫土動(dòng)物。田鼠的毛是其柔性單元，可分為真毛和絨毛兩種，均表皮角質(zhì)化

13、。田鼠毛由毛干和毛根組成，露于表皮的毛干，埋于皮下的為毛根，毛根下面膨大部分為毛球,內(nèi)含毛乳頭,圍繞于毛根外為毛囊組織，豎毛肌銜接毛根和毛囊，田鼠毛干外表具有環(huán)紋形鱗片。從毛干的根部至梢部，鱗片密度逐漸增大，根部密度為8-10列/100m，梢部密度為20-30列/100m，具有菱紋形幾何非光滑形狀，每一環(huán)紋形鱗片為一個(gè)構(gòu)造單元，毛干是由這樣的構(gòu)造單元線性組合而成，每?jī)蓚€(gè)構(gòu)造單元之間可產(chǎn)生彎曲變形，對(duì)整個(gè)毛干而言，當(dāng)遭到外力作用使，將呈現(xiàn)出柔性。田鼠毛的生長(zhǎng)方向與其前進(jìn)方向相反，鼠毛排布使其組合成柔性的非光滑外表，此時(shí)，每一根鼠毛稱為一個(gè)構(gòu)造單元，全部鼠毛構(gòu)成了田鼠的柔性體表。在毛根處，豎毛肌牽

14、拉毛囊和毛根運(yùn)動(dòng)，使毛干產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)。田鼠毛的各部分的柔性不同，具有多層次。田鼠在掘土過程中，經(jīng)過其本身不同柔性段之間存在的非線性的大變形與復(fù)原的柔性運(yùn)動(dòng)脫掉身上粘有的土壤。柔性變形還能吸收能量，降低系統(tǒng)粘附力與摩擦熱，各身體柔層段還可以儲(chǔ)流、通流，減弱接觸面間的粘附強(qiáng)度，從而到達(dá)不粘的效果。另外，黃鼠皮毛外表含有憎水性的蠟質(zhì)層，這種憎水外表也有減粘脫土的功能。5 田鼠的生物柔性脫附仿生運(yùn)用生物柔性是生物特有的一種功能，研討發(fā)現(xiàn)其對(duì)于某些生物具有減粘降阻功能等重要作用，利用工程仿生學(xué)的手段來模擬生物的功能單位，以運(yùn)用于工程，具有艱苦的實(shí)踐意義13。生物柔性仿生的根本思想是在研討土壤動(dòng)物可以減

15、粘脫土的構(gòu)造的根底上，利用工程手段仿制土壤動(dòng)物體表柔性構(gòu)造單元，在地面機(jī)械觸土部件上設(shè)計(jì)一系列具有柔性特征的功能部件或輔助部件，使其具有明顯的脫附減粘的作用。生物柔性仿生技術(shù)在發(fā)掘機(jī)、斗輪機(jī)、火車、煤礦車上有寬廣的運(yùn)用前景。根據(jù)黃鼠、田鼠毛的柔性構(gòu)造的脫附功能，吉林大學(xué)地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了自卸車、發(fā)掘機(jī)鏟斗、運(yùn)煤礦車的仿生柔性內(nèi)襯以及仿生柔性鎮(zhèn)壓輥等，具有廣泛的運(yùn)用15。6 終了語生物柔性及其仿生技術(shù)是工程學(xué)科與生命學(xué)科交叉的前沿性研討課題，是多學(xué)科交叉的前沿性科學(xué)，將創(chuàng)建工程仿生學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)，開辟新的知識(shí)創(chuàng)新體系，有明顯源頭創(chuàng)新的特征，研討內(nèi)容包括生物學(xué)、工程仿生學(xué)、機(jī)

16、械學(xué)、生物力學(xué)、控制實(shí)際、界面實(shí)際等多個(gè)學(xué)科。生物柔性研討重點(diǎn)包括生物柔性功能、特性和作用機(jī)理的闡明以及生物柔性的脫附、減阻、減粘作用的關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用，尤其是對(duì)具有典型生物柔性功能的土壤動(dòng)物的研討及其仿生，將其運(yùn)用于工程機(jī)械，具有艱苦的意義。隨著對(duì)土壤動(dòng)物的脫附減阻功能研討的深化，我們置信，仿生脫附減阻在實(shí)際包括生物電滲脫附、體表光滑脫附體表柔性脫附以及其耦協(xié)作用和技術(shù)上都會(huì)獲得令人鼓舞的提高。參考文獻(xiàn)1 任露泉,陳德興,陳秉聰.土壤粘附研討概述J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1990,6(1):1-7.2 任露泉,李建橋,田麗梅.地面機(jī)械仿生減粘減阻技術(shù)C.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2006學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,20

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