生物減粘脫附機理與工程仿生應用

摘 要：生物摩擦學和仿生摩擦學已成為工程仿生科技快速發展的分支領域。針對工程實際提出的具體技術問題，探索生物結構、功能或行為機理，建立其原理模型，是工程仿生研究的基礎。生物體某些部位的幾何構形因在農業工程、機械工程等眾多領域具有工程仿生應用前景而受到重視。土壤對地面機械觸土部件的粘附嚴重影響機械的工作效率、工作質量、增大能耗，甚至使其無法作業，然而土壤動物卻具有良好的體表防粘功能。本文對典型的土壤動物體表的非光滑表面進行特征描述，對其在工業、農業及其它領域的應用現狀及前景進行了綜述。

關鍵詞：非光滑表面 工程仿生 幾何形態 減粘脫附

引言

仿生被認為是原始創新的不竭動力和源泉，是一個無止境的科技前沿。仿生摩擦學是工程仿生的重要領域，是仿生學的一個重要分支。仿生摩擦學技術建立于生物摩擦學行為的認識和深入理解之上，仿生摩擦學研究內容包括仿生減摩（減阻）、仿生增摩（增阻）、仿生附著、仿生防粘（仿生自清潔）、仿生耐磨、仿生潤滑等。生物所具有的各種摩擦學行為是其生存所需要的。就防粘與附著而言，若生物體表面需要防粘，其表面即進化出有利于防粘的結構表面和物質構成，典型的如荷葉效應、土壤洞穴動物的防粘脫土功能，這種防粘結構和功能被用于多種人工表面的仿生防粘乃至減阻設計中。

1生物表面粘附性的仿生學研究

生物表面的粘附是生物進化出來的適應生存環境的功能，生物的一些部位需求粘附，因而在這些部位進化出強的粘附功能，典型的生物粘附或稱附著，發生在昆蟲、壁虎等動物足上。最近若干年對粘附的研究有明顯的進展。許多動物能夠利用各種附著裝置附著或行走在光滑或粗糙表面如垂直壁面和天棚上，顯示出優良的附著功能。許多動物爪上具有爪墊，對光滑表面以及各種粗糙表面有很強的附著能力。

按照附著方式可大致將動物足分為三類：爪子、光滑爪墊和剛毛爪墊。動物爪子能夠在粗糙表面上附著，其附著能力與表面粗糙度、爪子尖端幾何形狀和尺寸及摩擦系數有關。動物的光滑爪墊軟且可變形，能夠在光滑表面上附著，如蟑螂、蜜蜂、蝗蟲和臭蟲的爪墊。動物(如壁虎、蒼蠅、甲蟲和蜘蛛)的剛毛爪墊覆蓋有較長的可變形剛毛，如圖1所示。由于這些剛毛易彎曲而與表面接觸形成一系列接觸微區，Peressadko和Gorb認為剛毛尖端部位總體上是平的，構成端部接觸單元，端部單元承擔著與表面的接觸，爪墊的附著力取決于接觸單元的數量和與外物表面產生緊密接觸的能力。

仿生附著技術還在發展中，預計通過有效的應用基礎研究，仿生附著技術將會在較多領域獲得應用。

2生物表面防粘性的仿生學研究

粘濕的松散物料對機械部件的粘附現象在工程中具有普遍性，尤其是土壤粘附具有較為廣泛的代表性。松軟土壤與地面機械觸土部件接觸過程中產生的粘附現象有兩種表現形式：一是表現為土壤與固體表面之間形成的粘附力，二是表現為因土壤粘附力的作用而導致土壤在觸土部件上形成嚴重的粘附積留現象。土壤粘附嚴重降低地面機械的作業效率和作業質量，增大能耗，甚至使機械無法作業。

柔性是土壤動物體表乃至生物界存在的力學現象。螻蛄、螞蚱、蟋蟀、蜣螂、步甲、田鼠等土壤洞穴動物的許多部位生長著剛毛。土壤動物體表柔性主要體現在非光滑結構單元上，因此，稱之為生物柔性非光滑。這種柔性非光滑除具有非光滑表面減粘作用外，單元體的柔性對來自土壤的作用力具有緩沖作用，并通過柔性單元體的相互位移、扭曲等動作使與其接觸的土壤被脫掉。土壤動物體壁、節肢的柔性性質對它們的脫土功能也有貢獻。基于土壤動物體表柔性非光滑特征設計的仿生裝置用于鏟斗、輪斗、挖斗、自卸車車廂等觸土部件上取得了顯著的脫附效果。

3生物表面摩擦的仿生學研究

生物表面摩擦性能及機理研究受到較大關注，吸引了較多的研究者從事生物摩擦及其仿生摩擦研究。摩擦研究關注兩個不同的目標，一個是增大表面摩擦力，一個是減小表面摩擦力，而在許多情況下又需要將摩擦力或摩擦系數控制在一定的范圍而滿足于相應的技術需求（如制動摩擦技術）。通過研究生物摩擦，創造仿生摩擦技術及裝置是仿生摩擦學研究和技術開發的發展方向之一。

流體介質中運動表面的仿生減阻技術得到了較多的研究，在流體中運動的表面與流體之間產生摩擦力，構成運動表面的前進阻力。Carpenter詳細分析了運動表面幾何形態對流體運動阻力的影響。鯊魚皮膚的減阻功能被人們用作流體減阻技術研究與開發的仿效對象，鯊魚皮表面排布著一系列的鱗片，鯊魚鱗片具有肋條形態，如圖2所示。受鯊魚皮膚結構表面特征及其減阻機理的啟發，發明了多種流體減阻結構表面。具有這種相同仿生微觀表面形態的透明塑料薄膜，可使飛機阻力減小8%，這意味著節省燃油消耗約1.5%。

Sirovich和Karlsson的研究表明：對于飛機飛行、燃料管道輸送等高雷諾數情況下，渦流阻力是一個制約性能的重要因素。對于這種情況，當表面呈V-型突起形態(見圖3)且為隨機分布時，其阻力比光滑表面的阻力小，然而，其阻力會因V-型突起分布的微小的變化對阻力特性影響明顯。表面突起減阻方法在飛機上應用涉及成本問題，對于巡航飛行的亞音速飛機而言，表面摩擦阻力是飛機全部阻力的30%，隨機突起能夠減阻3%左右，可使單個飛機的運行成本減小0.3%左右，就全世界而言這應該是巨大的節約技術，但考慮維修、安全因素，總體上可能會導致成本的增大，因此，這類仿生結構表面被認為在商業飛機上的應用前景不大。

水生動物和飛行動物中還有大量的未被認識的減阻結構，因此，可以推斷流體減阻仿生結構表面還有廣闊的研究空間。流體減阻仿生表面在車輛、水下航行器、各種飛行器上應用將有更大更快的發展，是國際科技領域競爭的熱點，是值得我國重視和發展的高技術。目前，流體減阻研究還僅限于減阻及其與防粘相綜合的研究，尚缺少可能導致新的先進的綜合仿生技術的基礎研究和技術開發。

4結束語

隨著經濟、社會和科技的發展，仿生摩擦學研究及其應用領域將會不斷拓寬和深入。仿生摩擦學是典型的工程科學與生命科學交叉的技術領域之一，需要多學科人員的合作。國內一些研究機構在降低粘附和減小摩擦方面做了很好的工作，研制的仿生非光滑表面在防粘、減阻方面取得了顯著進展并獲得一定應用。流體減阻的仿生技術已經得到了廣泛的關注。仿生粘附和仿生增阻研究有了一定的基礎。但與國外的研究相比，在許多方面還有不小的差距，需要更多的原始創新研究工作。結合我國工業現代化和面向以精確農業為代表的新的農業科技革命及國防科技的需求，應對仿生摩擦學領域的國際競爭，大力開展仿生摩擦學的基礎研究、應用基礎研究和仿生摩擦學產品的產業化開發，這是仿生摩擦學的總體發展方向。

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