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&VEHICLEENGINEERINGJuly2022
doi:.1673-
农机触土部件仿生减粘技术研究现状及展望
刘露1,王莲冀1,胡红2,廖劲杨1
(;)
[摘要]从土壤动物柔性运动特征、分泌物、体表特征三个方面对仿生脱附减粘技术进行分类,综述了国内农机触土
部件仿生减粘技术的研究现状。着重分析了不同仿生方式的代表性土壤动物与减粘原理,以及与之相对应的仿生部
件设计与应用效果。最后,对农机触土部件仿生减粘技术进行了展望。
[关键词]农机;触土部件;仿生;减粘技术;研究现状
[中图分类号]S.[文献标志码]A[文章编号]1673-3142()07-0027-05
23312022
引用格式:刘露,王莲冀,胡红,[J].农业装备与车辆工程,,():-.
20226072731
ResearchStatusandApplicationofBionicAdhesiveReductionTechnologyfor
SoilTouchingPartsofAgriculturalMachinery
LiuLu1,WangLianji1,HuHong2,LiaoJinyang1
(,XihuaUniversity,ChengduCity,SichuanProvince610039,China;
,XihuaUniversity,ChengduCity,SichuanProvince610039,China)
[Abstract]Thebionicdesorption-reducingtechnologywasclassifiedfromthreeaspectsofflexiblemovementcharacteristicsof
soilanimals,secretionsandbodysurfacecharacteristics,andtheresearchstatusofbionicdesorption-reducingtechnologyforsoil

andtheprincipleofreducingviscosities,aswellasthedesignandapplicationeffectofcorrespondingbiomimeticpartswereanalyzed
.
[Keywords]agriculturalmachinery;soilcontactparts;bionic;viscosityreductiontechnology;researchstatus
0引言本文按照土壤动物柔性运动特征、分泌物和身体器
官进行分类,综述了目前国内农机触土部件的研究
仿生技术是一种用人造的处理手段、物质、
现状及应用案例,并按照时间顺序整理了相应部件。
设备或系统模仿自然的技术,在医疗、军事、工业、
[1]探寻仿生减粘技术的发展方向,以期为优化农机触
农业等领域均有应用。在农业方面,根据土壤动
土部件设计、满足农机装备发展需求提供参考。
物运动或掘土时具有脱土减粘的现象,提取并模仿
此类动物身体某些部位的几何构型或运动特征,制1基于土壤动物柔性运动特征的仿生研究现状
造成仿生部件,降低土壤粘附,增加耐磨特性、使
土壤动物柔性特征是一些土壤动物通过转动、
用效率及寿命。吉林大学的科研人员在20世纪80
蠕动等运动,减少与土壤的接触时间,实现土壤无
年代发现蚯蚓、蜣螂、穿山甲等动物具有良好的防[4]
法压实接触面的目的。对具有柔性特征的动物分
粘减土特性,1993年吉林省批准成立以工程仿生
析表明,这些动物均能实现减少粘附,常见的具有
研究所为技术依托的“吉林省地面机械仿生技术与
柔性特征的土壤动物有蚯蚓、马陆等。目前国内外
仿生功能材料中试基地”。截至目前,机械仿生成
主要集中在对蚯蚓的仿生研究。
为国家“211工程”农机工程重点学科[2-3],并得
蚯蚓是一种常见的柔性动物,生活在潮湿的
到了仿蚯蚓柔性蠕动机器人、仿生开沟器、仿生非
土壤中,昼伏夜出,摄入畜禽粪便和有机废物垃圾,
光滑犁壁等新产品。
也摄入植物的腐烂茎叶等碎片,可使土壤疏松、改
为了明确农机触土部件仿生技术的发展现状,[5]
良土壤、提高肥力促进农业增产。用SZX12体
基金项目:西华大学重点科研基金资助项目(Z17121);四川省视显微镜对蚯蚓表面特征进行分析发现,蚯蚓身体
科技厅软科学项目(2021TDR0054)由100多个体节组成,其头部呈圆锥状,体部呈圆
收稿日期:2021-06-03
28农业装备与车辆工程2022年
柱状,体节与节间组成环节结构,环的中间部分隆以粘蛋白为主溶质的水剂稀溶液[17],与体表、土
起成裬且有刚毛,在爬行时起固定支撑作用和辅助壤一起构成3层界面系统[18]。体表液提供了一个
运动作用。蚯蚓体表不同部位的非光滑程度各不相弱剪切层,在土壤动物体表与土壤层之间形成润滑
同,体部纹理小而密,头部纹理大而稀[6]。根据蚯界面[19],可降低土壤对动物体表的粘附。
蚓运动特性,分为收缩态、静息态、舒张态。舒张马云海[20]等基于蚯蚓分泌的体表液,以超高
时,非光滑单元密度减小;收缩时,非光滑单元密分子聚乙烯为原料,设计出一种仿生波纹形开沟器,
度增大;静息时,非光滑单元密度居中[7]。某一节该开沟器采用波纹非光滑形态的表面规律,其基体
纵向肌肉收缩时变得短而粗,环状肌肉收缩时变得由芯铧、铧柄、翼板组成;在仿生波纹形开沟器的
细而长,从而控制不同节的径向尺寸粗细顺序的运基础上[21-22],考虑土壤含水量、土壤硬度、开沟深
动是蚯蚓独特的柔性蠕动原理[8]。度及开沟速度等因素,提出仿生复合开沟器(如图
目前国内外应用蚯蚓柔性蠕动原理及不粘土2所示)。研究发现,土壤堆积角测试及阻力、润
的特性,仿生开发出各种机械部件。如吉林大学团滑试验得出减阻率随着土壤硬度、开沟深度、润滑
队开发出2种自卸车技术[9-10]。钢链采用挂钩式安液流速的增加而增加,随着开沟速度、土壤含水量
装、非均匀布置使得其产生柔性变形,从而提高了的增加而减小;张东光[23-24]等基于蚯蚓粘液的减
自卸车的生产率;米智楠[11]等根据蚯蚓柔性蠕动阻特性,设计出一种仿生注液沃土装置(如图3所
的原理研制出一种微小仿蚯蚓柔性蠕动机器人,可示)。该种装置采用超高分子量聚乙烯为加工材料,
用于核工业管道及热交换器等复杂管道的检测与维仿照指数曲线型的深松铲为配套机具开展土槽试
修。该机器人分为4个柔性单元体,每个单元体由验。试验证明,表面结构、孔数、材料对土壤粘附
SMA合金丝和金属弹簧构成;贾宝贤[12]等基于这量影响显著,且注液影响最大。此后,采用Box-
种运动原理研制出一种孔内行走机器人装置,该机Behnben试验优化方法表明入土深度、注液量、土
器人采用计算机控制系统的驱动装置,适用于较大槽车速度对土壤黏附力的影响显著,且深入影响最
曲率的弯孔、移动速度慢的工作环境;米智楠[13]明显。
等通过肠道检查的实验,证实蠕动式柔性机构能够
在机器人和肠道之间实现移动功能;简小刚[14]、注液孔
[15]
VICKY分别通过建立软性的安全缓冲层,应用肥料入口
计算机仿真技术模仿机器人的实时动态;第二届国
际创客节比赛上,佛山科学技术学院团队设计出一
种以软性材料为外壳的仿蚯蚓软体机器人(如图1
所示),有高灵活性[16]。
图2仿生复合开沟器模型图3仿生注液沃土装置

compositeditchopenerdeviceforfertilesoil
3基于土壤动物体表结构特征的仿生研究现状
图1仿蚯蚓软体机器人
-likesoftrobot在自然界中,一些土壤动物具有强的挖洞能
力,能借助身体的四肢快速挖土。研究发现这些土
2基于土壤动物分泌物的仿生研究现状
壤动物具有坚实而发达的表皮,能帮助运动。结合
分泌物是从一些动物的器官、细胞或组织中国内外文献,发现土壤类动物研究集中在鼹鼠、穿
产生的物质。其中土壤动物的分泌物大多在运动过山甲、克氏原螯虾、蜘蛛、蝼蛄、蜣螂,而研究蜣
程中产生。通过对能产生分泌物的土壤动物研究发螂最显著。
现,分泌物能润滑接触界面,减少土壤粘附,国内克氏原螯虾是一种杂食性动物,常出没于砖
外目前仅对蚯蚓进行了仿生研究。石缝隙中,能在生活及工业废水的环境下生长良好。
蚯蚓分泌的体表液是一种由糖苷键连接的、蜘蛛分布广泛、善于捕捉昆虫[25];蝼蛄善于游泳、
第60卷第7期刘露等:农机触土部件仿生减粘技术研究现状及展望29
疾走和飞行,摄食植物叶片、根与茎。蜣螂以动物进行了三维有限元分析,提出凸包形推土板的减粘
的粪便为食,在晚上活动[26];穿山甲喜欢夜晚觅食,分析,假设凸包形状,开展凸包形推土板与光滑推
夏秋时节喜欢住在山坡上层,春冬喜欢住在洞的深土板的土壤对照试验。结果表明,凸包形推土板减
处[27];鼹鼠主要摄入昆虫,群居生活。观察发现,粘效果更好,且凸包高度不宜过大;贾得顺[52]模
大部分土壤动物喜爱挖洞,进化出了相应的头、腹仿蜣螂、穿山甲等的形态、器官结构与控制原理设
和爪等部位,这些部位表面分布有刚毛,产生的刚计了一种仿生型推土板,模拟仿真了抛物线型、圆
毛与表面接触,形成了一系列接触区,能减少与表弧型、摆线型等不同准线形式的模型。在土槽实验
面接触的黏附力[28-30]。克氏原螯虾头胸部与外骨骼室的结果表明,渐开线型推土板减阻能力最好;肖
表面有凹陷和凸包,这些结构的一侧分布有刚毛[31];茂华在杨玉婉对鼹鼠前肢手掌趾而设计的仿生旋耕
蝼蛄覆翅刚毛簇状排列,前胸背板、膜翅、腹部刚刀[53]的基础上,结合节肢类动物蝼蛄爪趾特征,
毛平行于身体排列[32];蜣螂头部与爪部[33-34]为凸运用逆向工程技术拟合轮廓曲线,设计了一种基于
包形,头部的腹面和口器的四周密集刚毛;蜣螂腹蝼蛄爪趾的仿生旋耕刀[54],如图5所示。以刀轴
部存在阶梯型波纹非光滑,有凹陷,凹陷中央有小转速为自变量,探究了与仿生旋耕刀扭矩、三向阻
毛窝和短刚毛[35];穿山甲爪趾活动性强、自由度高,力与国际旋耕刀之间的联系,田间试验证实该仿生
前趾最长[36-37];鼹鼠越靠近爪尖、爪越加锋利且磨旋耕刀能有效降低水平、竖直阻力和平均能量损耗。
损明显,正面呈弧线分布,背面平状态分布[38]。
吉林大学团队李建桥[39]等人对蜣螂体表进行
了定量研究后,通过计算机仿真模拟非光滑表面,
开发试验了仿生非光滑犁壁;张毅[40]等人设计了
仿生圆盘犁犁体,以电镀的制造形式探究了圆面规
则与不规则对减阻的影响,发现规则的圆面减阻效
果更好;文献[41-42]分别分析了蜣螂体表数字特
征,为了适应工业化生产需求,探索了不同加工工图4非光滑钻头设计图
艺并规范了犁壁单元体尺寸;-smoothbitdesign
仿生犁基础上[43-44],深入研究蜣螂的减黏原理和
生理规律,设计出一种仿生非光滑犁-普通犁表
面规律分布具有特殊形状的单元几何体。田间试验
刀柄
证明,这种仿生犁壁与土壤接触时,可产生微振效
应、水膜不连续效应和界面空气膜效应,表现出翻
土碎土率高的优势,且结构单元的填充程度与底圆
仿生趾
半径占减阻性能的主要因素;王国林[45]等基于蜣
螂等土壤动物的非光滑体表结构,进行了推土板仿图5仿生旋耕刀结构图
生分形设计并开展推土试验,
微振效应,减少了黏附的发生;何龙飞[46]等结合吉林大学团队等人利用土壤动物的特性,应
仿生犁的现有理论,设计并试验了仿生非光滑螺旋用到深松部件中。早期的深松机应用单一、效率低
钻头,解决了粘性土钻进螺旋钻头阻力大的难题。[55]。之后,贾红雷[56]等人研制出仿穿山甲鳞片扶
这种仿生钻头采用单翼片式的钻头结构,球冠状的垄铲,具有优良的减粘性能。作为仿生智能耕播机
凸包形状,对称的凸包表面(如图4所示)。土壤的核心部件,有效解决了大豆发育慢的难题。利用
试验表明这种钻头有效降低功率消耗、节约能源;耦合仿生的方法,深入研究穿山甲鳞片和狗獾爪趾
文献[47-48]分别研制了仿生金刚石钻头,这种钻的结构,设计出一种最大程度减少粘附阻力的仿生
头的工作层唇部始终有相同的非光滑形态。野外生深松铲,如图6所示。通过田间试验等,得到了不
产试验表明,这种钻头具有更好的耐磨性能及减阻同深度下运动速度和使用材料的有效值[57-59]。为解
特点。决旋耕刀缠草问题,该团队和其余高校[60-61]发现
吉林大学研究人员[49-51]对凸包形非光滑表面仿鼹鼠足趾结构能有效减粘,2017年研发出旋耕-
30农业装备与车辆工程2022年
秸秆粉碎锯齿刀,通过仿真和田间试验证实在提高好的疏水性,耐磨性强,减阻性能良好,其特殊的
扭矩、完成作业质量方面均较国际旋耕刀好。2018螺旋结构和不粘性质有一定作用。
年基于足趾的多窄齿组合结构,设计出仿生切土刀(2)加强脱土机理研究。土壤动物的脱土过
片(如图7所示),并开展土壤试验探究证明了该程多为动态,粘附界面理论的研究不应只局限于静
部件能有效减小水平阻力[62-63]。态,应结合粘附力学与规律探讨粘附阻力与非光滑
结构单元的填充程度、类型及排布方式等的动态联
系并且结合耦合效应等设计出更有效的复合型仿生
技术。同时,通过开展模拟仿真和土壤试验算得不
同技术的最优运动速度、最优深度、最优尺寸等值。
(3)强化生物的在体测试与分析。目前的部
件设计多是基于土壤动物的爪趾轮廓,未针对触土
部件的使用环境进行生物原型的计算和分析,且研
究多集中于无生命的离体动物。应提高触土部件
的优化可靠性并增加在体动物的无清理试验次数,
将土壤动物的运动特征引入触土部件机构优化设计
中,如化学吸附、耐磨减阻等特性。
(4)高度重视农机农艺融合。针对各区域的
土壤类型、粘土含水率、孔隙度、有机质含量等的
图6耦合仿生深松铲不同,触土部件优化要符合当地种植农艺需求,兼

并经济绿色、使用寿命等要求,以易操作、易携带
等性质满足农民自我需要。如丘陵地区土壤含水量
较高,部件一定要优先考虑耐腐蚀;沙漠地区有机
质含量与含水率较低,优先考虑耐磨性和润滑性。
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业工程研究。E-mail:******@