生物柔性脫附-田鼠

1、.文獻綜述PAGE ：.；PAGE - 7 -田鼠的生物柔性脫附及其運用前言在人們的科研、消費、生活以及其他活動實際中，需求運用越來越多的工程機械，這些工程機械中有些是以地面、土壤為任務對象，需求按一定的要求來處置地面，比如各種農(nóng)業(yè)機具、土方工程機械等；有些以地面為任務介質，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)稱為地面機械1,2。在運用這些機械的過程中，人們發(fā)如今黏濕的任務環(huán)境中，其觸土部件的土壤粘附問題會嚴重影響機械的任務效率、運用壽命以及作業(yè)的質量，增大能量的耗費，甚至使機械無法正常運轉和任務3,4。大量的工農(nóng)業(yè)消費實際和科學研討闡明，土壤等黏濕物料的粘附嚴重影

2、響和制約著眾多工程領域的開展。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域，土壤的粘附問題會呵斥了宏大的損失，比如，使車輛失去行駛才干、降低消費率以及添加能耗等4-9。為理處理這個問題，許多專家學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)典實際，采用的是傳統(tǒng)方法，所以不斷未見艱苦突破4?？蒲腥蝿照呓?jīng)過大量的察看、實驗和研討，發(fā)現(xiàn)自然界的很多生物具有脫附功能，尤其是土壤動物具有非常優(yōu)良的脫附功能。這主要是它們?yōu)榱隧槕h(huán)境和維持生存的需求，在自然界中經(jīng)過億萬年的進化和演化，在經(jīng)過大自然有聲劣汰的法那么下，進化出各種各樣具有防粘脫附功能的形狀和構造，從而具有了獨特的

3、順應土壤環(huán)境的生存才干。比如軟體動物蝸牛，環(huán)節(jié)動物蚯蚓，節(jié)肢動物螻蛄、螞蟻和蜣螂，哺乳動物穿山甲、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自若且毫不粘土4,7。土壤動物在行走和“任務中具有明顯的減粘脫土功能，而且其整個體表或身體都具有減粘脫土的才干。探求和研討土壤動物的這種優(yōu)良的減粘脫土功能，對于地面機械的減粘脫土具有重要的實踐意義和寬廣的運用前景。田鼠是一種典型的土壤動物，其在土壤中可以活動自若，很好地完成發(fā)掘等任務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成，在其運動過程中，不同柔性段之間存在著非線性的大變形

4、與復原，這種相對柔性的運動可以脫掉土壤10。田鼠的這種柔性脫附減阻功能是工程仿生研討的一個重要方向，具有寬廣的運用前景。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，田鼠的體型較結實，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，有的夜間活動，也有的晝夜活動。多數(shù)以植物性食物為食，有些種類那么吃小動物性食物。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、群居性非冬眠動物。春季鼠窩中存糧減少或吃盡，田鼠活動頻繁，饑不擇食；夏季田鼠處于懷孕、產(chǎn)崽、分窩頂峰期，活動猖獗，竭力找尋食物；秋季田鼠積極儲糧，忙于奔走找食；冬季田鼠不冬眠，即使下了雪，黑夜仍會出洞活動。 2 生物柔性概述2.1 生物脫附的類型針對工程機械觸土部件的土壤粘附問題，很多專家學者做了大量研討任務，以期處理這個問題，其中吉林大學的很多學者在此方面做出了宏大的奉獻。任露泉10教授中國科學院院士，經(jīng)過生物仿生的方法，獲得了很大的勝利。他在近10年的時間里，踏踏實實地對6門10綱1萬多只土壤動物進展了系統(tǒng)的、大量的生物測試、實際分析、計算機模擬和實驗，終于獲得了艱苦突破，探求出了多種不同

6、類型動物遇黏不粘的機理。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成的動物，具有明顯的脫附功能，比如田鼠、蠐螬等。它們的脫附機理為：它們的身體外表呈現(xiàn)出一維、二維和三維的柔性分層，當它們在運動或任務時，其本身不同柔性段之間存在著非線性的大變形與復原，這種相對柔性的運動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流、通流，減弱接觸面間的粘附強度，從而到達不粘的效果。生物非光滑。在研討中發(fā)現(xiàn)一些土壤動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。這類土壤動物的脫

7、附機理是其在黏濕的環(huán)境土壤等運動的時候，它們凹凸不平的身體外表會使與其接觸的土壤外表產(chǎn)生細微的振動，導致兩者的接觸面積和作用時間減少，微振能破壞接觸面間延續(xù)的水膜，構成動態(tài)的部分空氣膜，從而減小了土壤與動物體表間的粘附和摩擦，到達不粘的效果。生物電滲。發(fā)現(xiàn)一些運動著的土壤動物如蚯蚓等的身體外表受土壤的作用會產(chǎn)生變形，引發(fā)出相對于未產(chǎn)生運動的體表部位的負電位，當體表多個部位遭到刺激，就產(chǎn)生多處與正電位間隔 很短的負電位區(qū)，產(chǎn)生低壓高效電滲景象，使土壤粘附力和摩擦力減小，到達不粘的效果。除此之外，還發(fā)現(xiàn)一些土壤動物具有特殊的幾何形體，爪趾構形，體表構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,而且還與其本身的外形、尺寸、彈性模量等有關；另一方面是指大變形是可以恢復的,但必需借助外力或本身鼓勵12,13。通?？蓪⑷嵝宰冃畏譃橐韵氯N12,14：一維形變線形變：單位時間內(nèi)發(fā)生的伸長量，相當于線應變率。二維形變面形變：單位時間內(nèi)發(fā)生的面積形變量，相當于面應變率。三維形變體形變：單位時間內(nèi)發(fā)生的體積型變量，相當于體應變率。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、力學中定義的柔度不同，它不僅與資料本身性質有關，也與資料尺寸、外形有關；用資料的單行模量與屈服極限應力之比表示，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細比表示。根據(jù)生物體表的根本構成單位即柔性單元的空間運動形狀，可以將生物柔性的運動方式分為挪動柔性、轉動柔性、振動柔性和動搖柔性四種類型，它們可以相互轉換與復合。根據(jù)生物柔性根本的特征與功能總結部分有代表性生物的共同特點，采用資料力學中隊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物，其鞏固外殼可看作室剛性板單元。柔性體單元柔性基質。大多數(shù)生物肌體組織由于其良好的柔性構造，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其他種類土壤動物體表形狀的分析，土壤動物體表柔性特性歸納為以下幾類：在外形構造上，土壤動物的柔性體表，正視為圓形或橢圓形，側視呈流線型；柔性體表由幾何非光滑構造單元組合而成，各構造單元之間或以韌帶或以皮膚柔性地銜接著，構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；非光滑構造單元之間能產(chǎn)生相對轉動、挪動或膨脹-收縮。3 生物柔性的脫附原理和實現(xiàn)方式13-16土壤對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，生物體表及其體表部分減產(chǎn)生的挪動柔性、轉動柔性、振動柔性和動搖柔性，會呵斥土壤對柔性非光滑外表無法壓實，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)接觸時間，使粘附界面的粘附強度減弱。同時，柔性非光滑構造與體表憎水性一同使生物體表與土壤間易構成復合界面，在生物體表的波谷處構成空氣截流，生物體表部分的柔度不同，使土壤對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，導致柔性非光滑具有良好的防粘功能。切向粘附構成界面滑動阻力的一部分，根據(jù)摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)定律，當觸土外表

12、為柔性非光滑外表時，其幾何非光滑性質使界面接觸面積減?。皇竺脑魉耘c幾何非光滑構造的綜協(xié)作用產(chǎn)生潤濕滯后，使界面水膜與柔性非光滑之間構成復合界面，土壤對其的粘附力下降。4 田鼠的生物柔性脫附生物柔性是土壤動物體表乃至生物界存在的力學景象。土壤動物柔性普通是經(jīng)過其體表非光滑構造單元來實現(xiàn)的，這種柔性與體表非光滑構造具有良好的脫附減阻功能。田鼠屬于脊索動物門脊椎動物亞門哺乳綱，順應于黏濕的土壤環(huán)境，是一種典型的土壤動物，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)紋形鱗片為一個構造單元，毛干是由這樣的構造單元線性組合而成，每兩個構造單元之間可產(chǎn)生彎曲變形，對整個毛干而言，當遭到外力作用使，將呈現(xiàn)出柔性。田鼠毛的生長方向與其前進方向相反，鼠毛排布使其組合成柔性的非光滑外表，此時，每一根鼠毛稱為一個構造單元，全部鼠毛構成了田鼠的柔性體表。在毛根處，豎毛肌牽

14、拉毛囊和毛根運動，使毛干產(chǎn)生運動或振動。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原的柔性運動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流、通流，減弱接觸面間的粘附強度，從而到達不粘的效果。另外，黃鼠皮毛外表含有憎水性的蠟質層，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用生物柔性是生物特有的一種功能，研討發(fā)現(xiàn)其對于某些生物具有減粘降阻功能等重要作用，利用工程仿生學的手段來模擬生物的功能單位，以運用于工程，具有艱苦的實踐意義13。生物柔性仿生的根本思想是在研討土壤動物可以減

15、粘脫土的構造的根底上，利用工程手段仿制土壤動物體表柔性構造單元，在地面機械觸土部件上設計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。生物柔性仿生技術在發(fā)掘機、斗輪機、火車、煤礦車上有寬廣的運用前景。根據(jù)黃鼠、田鼠毛的柔性構造的脫附功能，吉林大學地面機械仿生技術教育部重點實驗室研制開發(fā)了自卸車、發(fā)掘機鏟斗、運煤礦車的仿生柔性內(nèi)襯以及仿生柔性鎮(zhèn)壓輥等，具有廣泛的運用15。6 終了語生物柔性及其仿生技術是工程學科與生命學科交叉的前沿性研討課題，是多學科交叉的前沿性科學，將創(chuàng)建工程仿生學新的生長點，開辟新的知識創(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、工程仿生學、機

16、械學、生物力學、控制實際、界面實際等多個學科。生物柔性研討重點包括生物柔性功能、特性和作用機理的闡明以及生物柔性的脫附、減阻、減粘作用的關鍵技術的開發(fā)運用，尤其是對具有典型生物柔性功能的土壤動物的研討及其仿生，將其運用于工程機械，具有艱苦的意義。隨著對土壤動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)作用和技術上都會獲得令人鼓舞的提高。參考文獻1 任露泉,陳德興,陳秉聰.土壤粘附研討概述J.農(nóng)業(yè)工程學報,1990,6(1):1-7.2 任露泉,李建橋,田麗梅.地面機械仿生減粘減阻技術C.中國農(nóng)業(yè)機械學會2006學術年會論文集,20

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