地面机械脱附减阻仿生创新之路

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1、地面机械脱附减阻仿生创新之路任露泉中国科学院院士吉林大学三、立项意义V地面机械农业机械工建程筑机机械械电矿军力山事机机车械械辆2传统之路—问题≤地面:土壤、旱田、水田、滩涂、湿地、沼泽、雪地、沙漠≤影响：工作效率、使用寿命、作业质量，增大能量消耗，使机械无法运行、作业≤土方工程：工作部件的粘附积土量可达其额定容量的20%–50%，降低生产率30%≤农业工程：犁耕阻力增加30%，耕整能耗增加30%–50%，播种机出苗率减少5%–10%≤能源工程：矿车和发电厂斗轮机轮斗粘煤量可达其额定容量的40%，降低生产率30%–47%传

2、统之路—理论研究≤Fountaine(1954)的水分张力理论≤钱定华(1965)的五层界面模型≤Zisman(1968)、秋山丰等(1972)的毛细管理论≤Вайбаков(1957)、Помапов(1973)等的合力模型≤张际先(1985)的粘附界面分子模型理论传统之路—试验研究≤土壤特性≤触土材料≤粘附界面≤试验条件斗轮机煤矿车振动桩机≤动态规律≤量化分析机引犁铲装机自卸车传统之路—脱附方法≤改善粘附界面的充气、充液和加热法，电渗法，机械法，表面改形与改性法≤俄罗斯重视行走机械和工程机械的减粘研究≤欧洲国家力图研

3、制无粘附源的曲面铲斗≤美国已将电渗电压降至45V≤日本正进行超声波减粘研究≤美国利用激光进行表面清污≤德国正研发新的防粘材料—但仍满足不了工程实际的需求生物启示—脱附减阻新途径≤自然界的生物，在优胜劣汰的生物法则下，必须造就适应环境、延续生命的本领。特别经过亿万年在各自生存环境的进化优化，它们逐渐具有各种特殊的防粘脱附功能“荷叶效应原理”荷叶生物启示—脱附减阻≤生物的这一特殊功能，是多个因素协同作用的结果，包括生物的形体、形态、结构、组成、柔性、电渗、润滑及其耦合。上述因素以及它们间的相互协同作用，形成了生物体自身具有的

4、主动脱附减阻功能特性。蚯蚓生活方式蚯蚓表面脱附原理生物研究—非光滑特征≤一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于体表某些部位，结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等。同一土壤动物体表不同部位呈现的几何非光滑形态各异。(a)蜣螂头部(凸包形)(b)蜣螂翅部(波纹形)(c)蜣螂背板(凹坑形)(d)步甲翅部(凸包形)土壤动物体表不同部位的非光滑形态生物研究—非光滑特征≤非光滑体表与土壤相互作用可产生微振效应、水膜不连续效应和界面空气膜效应≤不仅使粘附界面产生一定频率和振幅的微动，减少与土壤的接触面积和静接触

5、时间，还使粘附界面的水膜呈不连续分布，使动物体表与土壤间产生局部空气膜≤从而减小土壤与生物非光滑体表的粘附力和摩擦力生物研究—柔性特征≤呈现出一维、二维和三维的多种柔形，使生物体本身的不同部分，可进行非线性大变形，并能在外力作用下恢复原形。田鼠柔性体表的土壤滑动阻力明显减小生物研究—柔性特征≤生物柔层储流通流，造成土壤对柔性表面无法压实，降低负压，有效减少柔性表面的任一接触单元与土壤之间的连续接触时间，使粘附界面的粘附力减小≤通过柔性单元的相互揉动、移动、转动、振动和波动等，使与其粘结的土壤被脱离≤生物柔性变形还会吸收一

6、部分能量，使系统中用于粘附与摩擦的能量减少，从而减小柔性体表的滑动阻力生物研究—生物电渗效应≤通过对土壤动物的生物电测试，发现与传统分离式电渗完全不同的生物表面整体电渗现象，蚯蚓等土壤动物运动着的体表部分受到土壤作用产生局部变形，引发出体表动作电位，相对于未运动体表部位呈负电位。蚯蚓表面电渗原理生物研究—生物电渗效应≤蚯蚓正极与负极在同一表面，当体表多个部位受到刺激，就产生多处分布的负电位区。由于正负电位区距离短，电位差使靠近体表的水化阳离子向接触区流动，产生电渗现象，改善界面水润滑，从而降低界面水膜张力和黏滞力，使土壤

7、粘附力和摩擦力减小。生物研究—减阻构型≤生物与其环境介质和生存条件长期相互作用，促使其进化出高度适应生存环境的构形。土壤动物构形适应土壤环境的主要进化趋势为：躯体变小，体形细长，上下扁平，挖掘附肢强大。(a)蝼蛄前爪(b)蝼蛄中爪(c)蝼蛄后爪典型土壤动物爪趾构形生物研究—减阻构型≤蝼蛄、穿山甲、黄鼠等掘土能力强、松土效率高的挖掘动物，其爪趾具有特殊的几何曲线构形和楔形结构。≤能够有效分散沿掘进方向的应力，减少挖掘阻力，弱化下部土壤扰动，强化上部松土效果。生物研究—体表液≤蚯蚓、泥鳅等土壤动物体表分布着能自动调控开启和关

8、闭的多个背孔，需要润滑时，就会分泌具有润滑功能的体表液。体表液是一种以有高潴留性的黏蛋白为主溶液的稀溶液，它与体表、土壤一起构成三层界面系统，即体表层、体液层和渗有体液的土壤层。三层界面系统示意图生物研究—体表液≤体表液提供了一个弱剪切层，在土壤动物体表与土壤层之间形成润滑界面，可降低土壤对动物体表的粘附。≤生物润滑