生物柔性脱附-田鼠

田鼠的生物柔性脱附及其应用文献综述-1-前言在人们的科研、生产、生活以及其他活动实践中，需要使用越来越多的工程机械，这些工程机械中有些是以地面、土壤为工作对象，需要按一定的要求来处理地面，比如各种农业机具、土方工程机械等；有些以地面为工作介质，不希望破坏地面，比如在地面行走各种交通工具和军事车辆等，它们被统称为地面机械[1,2]。在使用这些机械的过程中，人们发现在黏湿的工作环境中，其触土部件的土壤粘附问题会严重影响机械的工作效率、使用寿命以及作业的质量，增大能量的消耗，甚至使机械无法正常运行和工作[3,4]。大量的工农业生产实践和科学研究表明，土壤等黏湿物料的粘附严重影响和制约着众多工程领域的发展。一些研究表明在车辆工程、土方工程、农业工程和能源工程等诸多领域，土壤的粘附问题会造成了巨大的损失，比如，使车辆失去行驶能力、降低生产率以及增加能耗等[4-9]。为了解决这个问题，许多专家学者把大量精力用来研究解决土壤粘附的问题，但是因其依据的是经典理论，采用的是传统方法，所以一直未见重大突破[4]。科研工作者经过大量的观察、实验和研究，发现自然界的很多生物具有脱附功能，尤其是土壤动物具有非常优异的脱附功能。这主要是它们为了适应环境和维持生存的需要，在自然界中经过亿万年的进化和演变，在经过大自然有声劣汰的法则下，进化出各种各样具有防粘脱附功能的形态和结构，从而具有了独特的适应土壤环境的生存能力。比如软体动物蜗牛，环节动物蚯蚓，节肢动物蝼蛄、蚂蚁和蜣螂，哺乳动物穿山甲、和田鼠等，它们都具有非常完善的减粘脱土功能，从而都能在黏湿的土壤条件下活动自如且毫不粘土[4,7]。土壤动物在行走和“工作”中具有明显的减粘脱土功能，而且其整个体表或身体都具有减粘脱土的能力。探索和研究土壤动物的这种优异的减粘脱土功能，对于地面机械的减粘脱土具有重要的实际意义和广阔的应用前景。田鼠是一种典型的土壤动物，其在土壤中能够活动自如，很好地完成挖掘等工作且身体表面却能毫不粘土，田鼠的这种优异的减粘脱土功能主要是因为其身体是由多层次的柔性部分构成，在其运动过程中，不同柔性段之间存在着非线性的大变形与复原，这种相对柔性的运动可以脱掉土壤[10]。田鼠的这种柔性脱附减阻功能是工程仿生研究的一个重要方向，具有广阔的应用前景。文献综述-2-1田鼠的概述[11]田鼠是仓鼠科的一类，是啮齿目仓鼠科田鼠亚科的通称。与其他鼠类比较，田鼠的体型较结实，尾巴较短，眼睛和耳较小，耳壳略显露于毛外。毛色差别很大，呈灰黄、沙黄、棕褐以及棕灰色等。田鼠可在多种环境中生活，从寒冷的冻土带直至亚热带都有田鼠的存在。田鼠多为地栖种类，它们挖掘地下通道或在倒木、树根、岩石下的缝隙中做窝。田鼠有的白天活动，有的夜间活动，也有的昼夜活动。多数以植物性食物为食，有些种类则吃小动物性食物。每年繁殖2-4次，每胎产仔5-14只，寿命约为2年。田鼠是群居性非冬眠动物。春季鼠窝中存粮减少或吃尽，田鼠活动频繁，饥不择食；夏季田鼠处于怀孕、产崽、分窝高峰期，活动猖獗，极力找寻食物；秋季田鼠积极储粮，忙于奔波找食；冬季田鼠不冬眠，即使下了雪，黑夜仍会出洞活动。2生物柔性概述2.1生物脱附的类型针对工程机械触土部件的土壤粘附问题，很多专家学者做了大量研究工作，以期解决这个问题，其中吉林大学的很多学者在此方面做出了巨大的贡献。任露泉[10]教授（中国科学院院士），通过生物仿生的方法，取得了很大的成功。他在近10年的时间里，踏踏实实地对6门10纲1万多只土壤动物进行了系统的、大量的生物测试、理论分析、计算机模拟和试验，终于取得了重大突破，探索出了多种不同类型动物遇黏不粘的机理。根据它们减粘脱附原理的不同，可以将其分为以下几类：⑴生物柔性。他们发现一些身体由多层次的柔性部分构成的动物，具有明显的脱附功能，比如田鼠、蛴螬等。它们的脱附机理为：它们的身体表面呈现出一维、二维和三维的柔性分层，当它们在运动或工作时，其自身不同柔性段之间存在着非线性的大变形与复原，这种相对柔性的运动可以脱掉身体表面粘有的土壤。此外，柔性变形还能吸收能量，降低系统粘附力与摩擦热，身体的各柔性段还可以储流、通流，减弱接触面间的粘附强度，从而达到不粘的效果。文献综述-3-⑵生物非光滑。在研究中发现一些土壤动物具有非光滑的身体表面，比如蜣螂、穿山甲等，它们也都具有明显的脱附功能。这类土壤动物的脱附机理是其在黏湿的环境（土壤等）运动的时候，它们凹凸不平的身体表面会使与其接触的土壤表面产生轻微的振动，导致两者的接触面积和作用时间减少，微振能破坏接触面间连续的水膜，形成动态的局部空气膜，从而减小了土壤与动物体表间的粘附和摩擦，达到不粘的效果。⑶生物电渗。发现一些运动着的土壤动物如蚯蚓等的身体表面受土壤的作用会产生变形，引发出相对于未产生运动的体表部位的负电位，当体表多个部位受到刺激，就产生多处与正电位距离很短的负电位区，产生低压高效电渗现象，使土壤粘附力和摩擦力减小，达到不粘的效果。除此之外，还发现一些土壤动物具有特殊的几何形体，爪趾构形，体表结构及分泌物等具有脱附作用。2.2生物柔性生物柔性是指生物体自身一部分相对另一部分发生了非线性的大变形，但在外力作用下有能恢复原位的能力。生物柔性一般包含两方面的含义：一方面是生物体产生的非线性大变形的原因不仅与外力的作用有关,而且还与其自身的形状、尺寸、弹性模量等有关；另一方面是指大变形是可以恢复的,但必须借助外力或自身激励[12,13]。通常可将柔性变形分为以下三种[12,14]：⑴一维形变（线形变）：单位时间内发生的伸长量，相当于线应变率。⑵二维形变（面形变）：单位时间内发生的面积形变量，相当于面应变率。⑶三维形变（体形变）：单位时间内发生的体积型变量，相当于体应变率。在研究中用于表征生物体产生大变形的能力与程度的量，称为生物柔度，也称生物柔性柔度。但其与一般力学中定义的柔度不同，它不仅与材料自身性质有关，也与材料尺寸、形状有关；用材料的单行模量与屈服极限应力之比表示，而不是仅用材料的弹性模量的倒数表示，另外其尺寸形状部分用长细比表示。根据生物体表的基本构成单位即柔性单元的空间运动形态，可以将生物柔性的运动方式分为移动柔性、转动柔性、振动柔性和波动柔性四种类型，它们可以互相转换与复合。文献综述-4-根据生物柔性基本的特征与功能总结部分有代表性生物的共同特点，采用材料力学中队研究单元的分类方法，可以将生物柔性的单元分为以下三类：⑴大柔性杆单元—纤毛、刚毛。许多生物（田鼠、黄鼠）的体表组织有纤毛或刚毛，它们起到支撑、感知、缓冲、减阻等作用。⑵刚性板单元—鳞片、硬壳。像穿山甲、蜣螂等具有坚硬外壳的土壤动物，其坚硬外壳可看作室刚性板单元。⑶柔性体单元—柔性基质。大多数生物肌体组织由于其良好的柔性结构，可将其看作为柔性体单元。根据田鼠毛的特征与行为及对其他种类土壤动物体表形态的分析，土壤动物体表柔性特性归纳为以下几类：⑴在外形结构上，土壤动物的柔性体表，正视为圆形或椭圆形，侧视呈流线型；⑵柔性体表由几何非光滑结构单元组合而成，各结构单元之间或以韧带或以皮肤柔性地连接着，结构单元本身有刚性的（穿山甲鳞片）、柔性的（田鼠毛）或弹性的（蚯蚓体表）；⑶非光滑结构单元之间能产生相对转动、移动或膨胀-收缩。3生物柔性的脱附原理和实现方式[13-16]土壤对固体表面的粘附包括法向粘附作用和切向粘附作用，在减轻土壤法向粘附时，生物体表及其体表局部减产生的移动柔性、转动柔性、振动柔性和波动柔性，会造成土壤对柔性非光滑表面无法压实，有效地减少了柔性非光环体表上的任一接触单元与土壤之间的连续接触时间，使粘附界面的粘附强度减弱。同时，柔性非光滑结构与体表憎水性一起使生物体表与土壤间易形成复合界面，在生物体表的波谷处形成空气截流，生物体表局部的柔度不同，使土壤对生物柔性非光滑体表上局部的粘附程度不同，粘附界面无法形成连续的水膜，从而降低了土壤的粘附能力。生物体表柔性和非光滑的综合作用，导致柔性非光滑具有良好的防粘功能。切向粘附构成界面滑动阻力的一部分，根据摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)定律，当触土表面为柔性非光滑表面时，其几何非光滑性质使界面接触面积减小；鼠毛的憎水性与几何非光滑结构的综合作用产生润湿滞后，使界面水膜与柔性非光滑之间形成复合界面，土壤对其的粘附力下降。文献综述-5-4田鼠的生物柔性脱附生物柔性是土壤动物体表乃至生物界存在的力学现象。土壤动物柔性一般是通过其体表非光滑结构单元来实现的，这种柔性与体表非光滑结构具有良好的脱附减阻功能。田鼠属于脊索动物门脊椎动物亚门哺乳纲，适应于黏湿的土壤环境，是一种典型的土壤动物，多数栖居于靠水而潮湿的地方,如挖地、水渠两旁或稻田埂旁，挖洞穴居[13,17]。田鼠全身被毛，身不粘土，是典型的柔性脱土动物。田鼠的毛是其柔性单元，可分为真毛和绒毛两种，均表皮角质化。田鼠毛由毛干和毛根组成，露于表皮的毛干，埋于皮下的为毛根，毛根下面膨大部分为毛球,内含毛乳头,围绕于毛根外为毛囊组织，竖毛肌连接毛根和毛囊，田鼠毛干表面具有环纹形鳞片。从毛干的根部至梢部，鳞片密度逐渐增大，根部密度为8-10列/100μm，梢部密度为20-30列/100μm，具有菱纹形几何非光滑形态，每一环纹形鳞片为一个结构单元，毛干是由这样的结构单元线性组合而成，每两个结构单元之间可产生弯曲变形，对整个毛干而言，当受到外力作用使，将呈现出柔性。田鼠毛的生长方向与其前进方向相反，鼠毛排布使其组合成柔性的非光滑表面，此时，每一根鼠毛称为一个结构单元，全部鼠毛构成了田鼠的柔性体表。在毛根处，竖毛肌牵拉毛囊和毛根运动，使毛干产生运动或振动。田鼠毛的各部分的柔性不同，具有多层次。田鼠在掘土过程中，通过其自身不同柔性段之间存在的非线性的大变形与复原的柔性运动脱掉身上粘有的土壤。柔性变形还能吸收能量，降低系统粘附力与摩擦热，各身体柔层段还可以储流、通流，减弱接触面间的粘附强度，从而达到不粘的效果。另外，黄鼠皮毛表面含有憎水性的蜡质层，这种憎水表面也有减粘脱土的功能。5田鼠的生物柔性脱附仿生应用生物柔性是生物特有的一种功能，研究发现其对于某些生物具有减粘降阻功能等重要作用，利用工程仿生学的手段来模拟生物的功能单位，以应用于工程，具有重大的实际意义[13]。生物柔性仿生的基本思想是在研究土壤动物能够减粘脱土的结构的基础上，利用工程手段仿制土壤动物体表柔性结构单元，在地面机械触土部件上设计一系列具有柔性特征的功能部件或辅助部件，使其具有明显的脱附减粘的作文献综述-6-用。生物柔性仿生技术在挖掘机、斗轮机、火车、煤矿车上有广阔的应用前景。根据黄鼠、田鼠毛的柔性结构的脱附功能，吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室研制开发了自卸车、挖掘机铲斗、运煤矿车的仿生柔性内衬以及仿生柔性镇压辊等，具有广泛的应用[15]。6结束语生物柔性及其仿生技术是工程学科与生命学科交叉的前沿性研究课题，是多学科交叉的前沿性科学，将创建工程仿生学新的生长点，开拓新的知识创新体系，有明显源头创新的特色，研究内容包括生物学、工程仿生学、机械学、生物力学、控制理论、界面理论等多个学科。生物柔性研究重点包括生物柔性功能、特性和作用机理的阐明以及生物柔性的脱附、减阻、减粘作用的关键技术的开发应用，尤其是对具有典型生物柔性功能的土壤动物的研究及其仿生，将其应用于工程机械，具有重大的意义。随着对土壤动物的脱附减阻功能研究的深入，我们相信，仿生脱附减阻在理论（包括生物电渗脱附、体表润滑脱附体表柔性脱附以及其耦合作用）和技术上都会取得令人鼓舞的进步。文献综述-7-参考文献[1]任露泉,陈德兴,陈秉聪.土壤粘附研究概述[J].农业工程学报,1990,6(1):1-7.[2]任露泉,李建桥,田丽梅.地面机械仿生减粘减阻技术[C].中国农业机械学会2006学术年会论文集,2006:638-649.[3]荣长发.减粘脱土研究状况综述[J].农业与技术,1996,1:29-31.[4]任露泉.地面机械脱附减阻仿生研究进展[J].中国科学,2008,38(9):1353-1364.[5]RenLQ,Wan