仿生学及其农业工程应用.pptVIP

农业工程仿生技术 主讲人：张金波 佳木斯大学机械工程学院 农机教研室 奇异的仿生学 仿生学正式诞生于1960年9月。在美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地—戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？”。J.E.Steele根据拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nic（‘具有……的性质’的意思）”为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学。1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。 某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能。 仿生学发展 从远古时期开始，人们就已经开始了对自然界中生物的某些特有的功能和结构的学习，并应用与日常生产。 飞行器的雏形： 电子蛙眼 苍蝇与宇宙飞船 壁虎与附着技术 仿生技术与建筑工程 仿生学研究方法： 农业工程仿生技术应用 仿生减阻技术 几何非光滑 仿生减阻技术 对与车蜣螂推、滚粪球关系最为密切的头部唇基表面进行了研究，发现具有凸起和凹陷的非光滑结构，同时凹陷内部有短刚毛，凸包高度约为20μm，长50-70μm，宽40-60μm，间距为100-200μm，呈点状分布。对车蜣螂的体表体电位进行了测量，其值因身体部位不同而有差异，其中头部唇基的体电位为4-20mV。根据上述特征，设计了仿生凸包型电渗减粘降阻推土板，并进行了实际推土作业对比分析，结果表明，在通电12V的情况下，仿生非光滑推土板与普通平板相比，能够降低推土阻力30%-41%，降阻效果显著。 小家鼠、达乌尔鼠、黄鼠、田鼠等土壤洞穴动物的爪趾具有高效的土壤挖掘功能。根据这一功能设计了一种仿生弯曲深松铲，并与日本深松部件进行了耕作阻力对比试验，测试结果表明，与日本直线型深松铲相比，仿生弯曲型深松铲的水平耕作阻力降低了98.22%，垂直阻力降低了106.27%，仿生弯曲深松铲减阻效果非常显著(郭志军，2003)。 鼹鼠具有极高的土壤挖掘效率，这主要得益于其爪趾几何结构特征优良的力学性能，这为农业机械土壤耕作部件的仿生设计提供了学习的对象。鼹鼠的这一优良特性使之应用于深松铲、犁铧、旋耕刀、碎茬刀等触土部件的仿生设计成为了可能。利用鼹鼠爪趾的高效挖掘性能设计仿生旋耕-碎茬刀片，不仅能够实现一次进地完成碎茬和旋耕两种作业，而且节省了作业成本，同时避免了拖拉机对耕地的过度碾压。研究表明，与国标普通旋耕、碎茬刀片相比，旋耕-碎茬通用到片的耕深稳定性达到93%以上，碎茬率、碎土率以及根茬覆盖率分别为81.8%、87.9%和87.2%，实现了旋耕、碎茬机具的通用，作业质量完全符合农业技术要求，提高了旋耕、碎茬的作业效率，节省了设计制造成本（汲文峰 旋耕-碎茬仿生刀片）。 土壤动物蚯蚓生活在土壤中，身体呈节状，节上端自11-12节直至后端沿背部中线分布有背孔。背孔平时关闭，环境干燥、钻土或遇到刺激时张开并分泌润滑液，利于蚯蚓呼吸和在土壤中穿行，这种体液是由体表生物电所致。蚯蚓身体分泌润滑液这一特性使其能够在土壤中穿行而毫不费力，这说明这种特性具有很好的减阻功能。利用蚯蚓的这一特殊功能，仿生设计了凹坑、倒角通孔和通孔三种仿生非光滑电渗表面装置并进行了操作试验，结果表明，在混合润滑条件下，与蚯蚓背孔原理相类似的通孔形仿生非光滑结构表面具有优良的减阻、耐磨特性。 仿生粘附 (附着) 技术 仿生减粘脱附技术 仿生耐磨技术 传统的耐磨性提高方法： 仿生技术其他领域应用 损普遍存在于工农业生产之中，而且由于磨损造成的经济损失非常巨大。尤其对于农业机械土壤机具，其触土部件在工作过程中持续受到土壤的磨料磨损，致使其使用寿命缩短，增加了生产成本。土壤对农机触土部件的磨料磨损是导致其失效的主要形式。因此，提高这些部件的耐磨性能，对于提高其技术水平，节约材料，提高工作效率，具有重要的实际意义和科学价值。 翼形深松铲磨损形貌 非翼形深松铲磨损形貌 1. 纯材料的角度入手 2. 特殊的热处理工艺 3. 现代表面技术 4. 先进涂层技术 5. 改善工作环境 存在的问题：工艺复杂，造价高 农业机械仿生耐磨技术： 不额外增加制造成本，且能够满足技术要求。 沙漠中的沙鱼 沙鱼体表结构 钢表面 玻璃表面 生活在Sahara沙漠中的沙鱼（Sandfish）体表覆盖鳞片形几何结构，这种结构形态使沙鱼具有优异的抗风沙冲蚀磨损的能力，在相同试验条件下，经10小时冲蚀磨损，沙鱼表面的耐磨性明显高于钢和玻璃表面。 蛇、蜥蜴等动物在土壤或沙表面上运动时，它们的身体几何结构表面亦与土壤、沙相互作用而发生磨料磨损现象，但都显示出优良的耐磨性能，这主要得益于其几何结构表面发挥了重要的作用。 竹