農機觸土部件仿生減粘技術研究現狀及展望

劉露，王蓮冀，胡紅，廖勁楊

（1.610039 四川省 成都市 西華大學 機械工程學院；2.610039 四川省 成都市 西華大學 現代農業裝備研究院）

0 引言

仿生技術是一種用人造的處理手段、物質、設備或系統模仿自然的技術，在醫療、軍事、工業、農業等領域均有應用[1]。在農業方面，根據土壤動物運動或掘土時具有脫土減粘的現象，提取并模仿此類動物身體某些部位的幾何構型或運動特征，制造成仿生部件，降低土壤粘附，增加耐磨特性、使用效率及壽命。吉林大學的科研人員在20 世紀80年代發現蚯蚓、蜣螂、穿山甲等動物具有良好的防粘減土特性，1993 年吉林省批準成立以工程仿生研究所為技術依托的“吉林省地面機械仿生技術與仿生功能材料中試基地”。截至目前，機械仿生成為國家“211 工程”農機工程重點學科[2-3]，并得到了仿蚯蚓柔性蠕動機器人、仿生開溝器、仿生非光滑犁壁等新產品。

為了明確農機觸土部件仿生技術的發展現狀，本文按照土壤動物柔性運動特征、分泌物和身體器官進行分類，綜述了目前國內農機觸土部件的研究現狀及應用案例，并按照時間順序整理了相應部件。探尋仿生減粘技術的發展方向，以期為優化農機觸土部件設計、滿足農機裝備發展需求提供參考。

1 基于土壤動物柔性運動特征的仿生研究現狀

土壤動物柔性特征是一些土壤動物通過轉動、蠕動等運動，減少與土壤的接觸時間，實現土壤無法壓實接觸面的目的[4]。對具有柔性特征的動物分析表明，這些動物均能實現減少粘附，常見的具有柔性特征的土壤動物有蚯蚓、馬陸等。目前國內外主要集中在對蚯蚓的仿生研究。

蚯蚓是一種常見的柔性動物，生活在潮濕的土壤中，晝伏夜出，攝入畜禽糞便和有機廢物垃圾，也攝入植物的腐爛莖葉等碎片，可使土壤疏松、改良土壤、提高肥力促進農業增產[5]。用SZX12 體視顯微鏡對蚯蚓表面特征進行分析發現，蚯蚓身體由100 多個體節組成，其頭部呈圓錐狀，體部呈圓柱狀，體節與節間組成環節結構，環的中間部分隆起成裬且有剛毛，在爬行時起固定支撐作用和輔助運動作用。蚯蚓體表不同部位的非光滑程度各不相同，體部紋理小而密，頭部紋理大而稀[6]。根據蚯蚓運動特性，分為收縮態、靜息態、舒張態。舒張時，非光滑單元密度減??；收縮時，非光滑單元密度增大；靜息時，非光滑單元密度居中[7]。某一節縱向肌肉收縮時變得短而粗，環狀肌肉收縮時變得細而長，從而控制不同節的徑向尺寸粗細順序的運動是蚯蚓獨特的柔性蠕動原理[8]。

目前國內外應用蚯蚓柔性蠕動原理及不粘土的特性，仿生開發出各種機械部件。如吉林大學團隊開發出2 種自卸車技術[9-10]。鋼鏈采用掛鉤式安裝、非均勻布置使得其產生柔性變形，從而提高了自卸車的生產率；米智楠[11]等根據蚯蚓柔性蠕動的原理研制出一種微小仿蚯蚓柔性蠕動機器人，可用于核工業管道及熱交換器等復雜管道的檢測與維修。該機器人分為4 個柔性單元體，每個單元體由SMA 合金絲和金屬彈簧構成；賈寶賢[12]等基于這種運動原理研制出一種孔內行走機器人裝置，該機器人采用計算機控制系統的驅動裝置，適用于較大曲率的彎孔、移動速度慢的工作環境；米智楠[13]等通過腸道檢查的實驗，證實蠕動式柔性機構能夠在機器人和腸道之間實現移動功能；簡小剛[14]、VICKY[15]分別通過建立軟性的安全緩沖層，應用計算機仿真技術模仿機器人的實時動態；第二屆國際創客節比賽上，佛山科學技術學院團隊設計出一種以軟性材料為外殼的仿蚯蚓軟體機器人（如圖1所示），有高靈活性[16]。

圖1 仿蚯蚓軟體機器人Fig.1 Earthworm-like soft robot

2 基于土壤動物分泌物的仿生研究現狀

分泌物是從一些動物的器官、細胞或組織中產生的物質。其中土壤動物的分泌物大多在運動過程中產生。通過對能產生分泌物的土壤動物研究發現，分泌物能潤滑接觸界面，減少土壤粘附，國內外目前僅對蚯蚓進行了仿生研究。

蚯蚓分泌的體表液是一種由糖苷鍵連接的、以粘蛋白為主溶質的水劑稀溶液[17]，與體表、土壤一起構成3 層界面系統[18]。體表液提供了一個弱剪切層,在土壤動物體表與土壤層之間形成潤滑界面[19],可降低土壤對動物體表的粘附。

馬云海[20]等基于蚯蚓分泌的體表液，以超高分子聚乙烯為原料，設計出一種仿生波紋形開溝器，該開溝器采用波紋非光滑形態的表面規律，其基體由芯鏵、鏵柄、翼板組成；在仿生波紋形開溝器的基礎上[21-22]，考慮土壤含水量、土壤硬度、開溝深度及開溝速度等因素，提出仿生復合開溝器（如圖2 所示）。研究發現，土壤堆積角測試及阻力、潤滑試驗得出減阻率隨著土壤硬度、開溝深度、潤滑液流速的增加而增加，隨著開溝速度、土壤含水量的增加而減??；張東光[23-24]等基于蚯蚓粘液的減阻特性，設計出一種仿生注液沃土裝置（如圖3 所示）。該種裝置采用超高分子量聚乙烯為加工材料，仿照指數曲線型的深松鏟為配套機具開展土槽試驗。試驗證明，表面結構、孔數、材料對土壤粘附量影響顯著，且注液影響最大。此后，采用Box-Behnben 試驗優化方法表明入土深度、注液量、土槽車速度對土壤黏附力的影響顯著，且深入影響最明顯。

圖2 仿生復合開溝器模型Fig.2 Model of bionic composite ditch opener

圖3 仿生注液沃土裝置Fig.3 Bionic liquid injection device for fertile soil

3 基于土壤動物體表結構特征的仿生研究現狀

在自然界中，一些土壤動物具有強的挖洞能力，能借助身體的四肢快速挖土。研究發現這些土壤動物具有堅實而發達的表皮，能幫助運動。結合國內外文獻，發現土壤類動物研究集中在鼴鼠、穿山甲、克氏原螯蝦、蜘蛛、螻蛄、蜣螂，而研究蜣螂最顯著。

克氏原螯蝦是一種雜食性動物，常出沒于磚石縫隙中，能在生活及工業廢水的環境下生長良好。蜘蛛分布廣泛、善于捕捉昆蟲[25]；螻蛄善于游泳、疾走和飛行，攝食植物葉片、根與莖。蜣螂以動物的糞便為食，在晚上活動[26]；穿山甲喜歡夜晚覓食，夏秋時節喜歡住在山坡上層，春冬喜歡住在洞的深處[27]；鼴鼠主要攝入昆蟲，群居生活。觀察發現，大部分土壤動物喜愛挖洞，進化出了相應的頭、腹和爪等部位，這些部位表面分布有剛毛，產生的剛毛與表面接觸，形成了一系列接觸區，能減少與表面接觸的黏附力[28-30]?？耸显r頭胸部與外骨骼表面有凹陷和凸包，這些結構的一側分布有剛毛[31]；螻蛄覆翅剛毛簇狀排列，前胸背板、膜翅、腹部剛毛平行于身體排列[32]；蜣螂頭部與爪部[33-34]為凸包形，頭部的腹面和口器的四周密集剛毛；蜣螂腹部存在階梯型波紋非光滑，有凹陷，凹陷中央有小毛窩和短剛毛[35]；穿山甲爪趾活動性強、自由度高，前趾最長[36-37]；鼴鼠越靠近爪尖、爪越加鋒利且磨損明顯，正面呈弧線分布，背面平狀態分布[38]。

吉林大學團隊李建橋[39]等人對蜣螂體表進行了定量研究后，通過計算機仿真模擬非光滑表面，開發試驗了仿生非光滑犁壁；張毅[40]等人設計了仿生圓盤犁犁體，以電鍍的制造形式探究了圓面規則與不規則對減阻的影響，發現規則的圓面減阻效果更好；文獻[41-42]分別分析了蜣螂體表數字特征，為了適應工業化生產需求，探索了不同加工工藝并規范了犁壁單元體尺寸；在吉林大學設計的仿生犁基礎上[43-44]，深入研究蜣螂的減黏原理和生理規律，設計出一種仿生非光滑犁-普通犁表面規律分布具有特殊形狀的單元幾何體。田間試驗證明，這種仿生犁壁與土壤接觸時，可產生微振效應、水膜不連續效應和界面空氣膜效應，表現出翻土碎土率高的優勢，且結構單元的填充程度與底圓半徑占減阻性能的主要因素；王國林[45]等基于蜣螂等土壤動物的非光滑體表結構，進行了推土板仿生分形設計并開展推土試驗，增加了土壤大變形和微振效應，減少了黏附的發生；何龍飛[46]等結合仿生犁的現有理論，設計并試驗了仿生非光滑螺旋鉆頭，解決了粘性土鉆進螺旋鉆頭阻力大的難題。這種仿生鉆頭采用單翼片式的鉆頭結構，球冠狀的凸包形狀，對稱的凸包表面（如圖4 所示）。土壤試驗表明這種鉆頭有效降低功率消耗、節約能源；文獻[47-48]分別研制了仿生金剛石鉆頭，這種鉆頭的工作層唇部始終有相同的非光滑形態。野外生產試驗表明，這種鉆頭具有更好的耐磨性能及減阻特點。

圖4 非光滑鉆頭設計圖Fig.4 Non-smooth bit design

吉林大學研究人員[49-51]對凸包形非光滑表面進行了三維有限元分析，提出凸包形推土板的減粘分析，假設凸包形狀，開展凸包形推土板與光滑推土板的土壤對照試驗。結果表明，凸包形推土板減粘效果更好，且凸包高度不宜過大；賈得順[52]模仿蜣螂、穿山甲等的形態、器官結構與控制原理設計了一種仿生型推土板，模擬仿真了拋物線型、圓弧型、擺線型等不同準線形式的模型。在土槽實驗室的結果表明，漸開線型推土板減阻能力最好；肖茂華在楊玉婉對鼴鼠前肢手掌趾而設計的仿生旋耕刀[53]的基礎上，結合節肢類動物螻蛄爪趾特征，運用逆向工程技術擬合輪廓曲線，設計了一種基于螻蛄爪趾的仿生旋耕刀[54]，如圖5 所示。以刀軸轉速為自變量，探究了與仿生旋耕刀扭矩、三向阻力與國際旋耕刀之間的聯系，田間試驗證實該仿生旋耕刀能有效降低水平、豎直阻力和平均能量損耗。

圖5 仿生旋耕刀結構圖Fig.5 Structure diagram of bionic rotary tillage knife

吉林大學團隊等人利用土壤動物的特性，應用到深松部件中。早期的深松機應用單一、效率低[55]。之后，賈紅雷[56]等人研制出仿穿山甲鱗片扶壟鏟，具有優良的減粘性能。作為仿生智能耕播機的核心部件，有效解決了大豆發育慢的難題。利用耦合仿生的方法，深入研究穿山甲鱗片和狗獾爪趾的結構，設計出一種最大程度減少粘附阻力的仿生深松鏟，如圖6 所示。通過田間試驗等，得到了不同深度下運動速度和使用材料的有效值[57-59]。為解決旋耕刀纏草問題，該團隊和其余高校[60-61]發現仿鼴鼠足趾結構能有效減粘，2017 年研發出旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀，通過仿真和田間試驗證實在提高扭矩、完成作業質量方面均較國際旋耕刀好。2018年基于足趾的多窄齒組合結構，設計出仿生切土刀片（如圖7 所示），并開展土壤試驗探究證明了該部件能有效減小水平阻力[62-63]。

圖6 耦合仿生深松鏟Fig.6 Coupled bionic deep loose shovel

圖7 仿生型切土刀片示意圖Fig.7 Schematic diagram of bionic earth cutting blade

4 展望

目前基于土壤動物的特殊體表而研究的仿生學雖取得一定進展，但對該領域的研究還不夠深入，認識的減阻結構有限，實驗取樣時往往經過處理，并且由于現代仿生作業的研究深入，對農機觸土仿生部件提出了更高的強度、韌性等要求，因此結合目前國內外仿生技術的研究現狀及需求，提出以下展望：

（1）加強仿生材料及多種工藝方法的使用的研究。表面涂層、表面熱處理等方法產生的復合仿生材料將在農業機械觸土部件發揮重要作用。如使用耐磨性、耐沖擊性好的超高分子量聚乙烯是仿生上耐環境的一種優良材料；聚四氟乙烯涂層具有良好的疏水性，耐磨性強，減阻性能良好，其特殊的螺旋結構和不粘性質有一定作用。

（2）加強脫土機理研究。土壤動物的脫土過程多為動態，粘附界面理論的研究不應只局限于靜態，應結合粘附力學與規律探討粘附阻力與非光滑結構單元的填充程度、類型及排布方式等的動態聯系并且結合耦合效應等設計出更有效的復合型仿生技術。同時，通過開展模擬仿真和土壤試驗算得不同技術的最優運動速度、最優深度、最優尺寸等值。

（3）強化生物的在體測試與分析。目前的部件設計多是基于土壤動物的爪趾輪廓，未針對觸土部件的使用環境進行生物原型的計算和分析，且研究多集中于無生命的離體動物。應提高觸土部件的優化可靠性并增加在體動物的無清理試驗次數，將土壤動物的運動特征引入觸土部件機構優化設計中，如化學吸附、耐磨減阻等特性。

（4）高度重視農機農藝融合。針對各區域的土壤類型、粘土含水率、孔隙度、有機質含量等的不同，觸土部件優化要符合當地種植農藝需求，兼并經濟綠色、使用壽命等要求，以易操作、易攜帶等性質滿足農民自我需要。如丘陵地區土壤含水量較高，部件一定要優先考慮耐腐蝕；沙漠地區有機質含量與含水率較低，優先考慮耐磨性和潤滑性。