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蜣螂脱附减阻

关键字

蜣螂;减粘;降阻

词条简介

蜣螂体表的非光滑形态能减少与土壤的接触面积,提高其憎水性,减小阻力,降低其与土壤的粘附性。蜣螂非光滑体表脱附减阻仿生研究已在农业、建筑、矿山和电力等多种机械上应用,并已拓展到众多工程领域, 在空气、水、油、岩石等多种非土壤介质的多种功能仿生中呈现明显优势, 发展潜力巨大, 应用前景广阔。

原型介绍

蜣螂,鞘翅目金龟亚科昆虫。经过长期的进化已适应粘湿的环境。蜣螂具有独特的挖洞本领,一般洞深超过80 cm,有的深达2 m 以上。成年蜣螂体长40 ~ 80 mm,长椭圆形,黑色,有光泽,较坚硬。唇基类似推土板,常态下其切削角为52°51’~ 45°,切削后角为35°30’ ~ 27°40’, 与一般推土机铲刀的切削角变化范围相近。其前足己进化成开掘足,胫节宽扁,外缘具有坚硬的齿状结构,状似钉耙,宜于掘土。


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1 蜣螂与其体表结构(雄性头背部鱼鳞坑、雄性前胸背板凸包)


原理介绍

蜣螂体表不同部位分布着亚宏观至微观尺度上的多种非光滑形态,如凸包、凹坑、波纹和微观鳞片形等,这些微观非光滑结构使蜣螂体表与土壤相互作用可产生微振效应、水膜不连续效应和界面空气膜效应,不仅使粘附界面产生一定频率和振幅的微动,减少与土壤的接触面积和静接触时粘附界面的水膜呈不连续分布,使其体表与土壤间产生局部空气膜,从而减小土壤与动物非光滑体表的粘附力和摩擦力。蜣螂体表的非光滑形态还能提高其憎水性,进而提高水在其上的表观接触角, 使其与土壤的粘附性降低。

蜣螂唇基的形状使得其在挖土打洞的过程中受到较小的阻力,同时通过其头部的转动实现楔角大小的自动调节,更好地实现推土和挖土的不同功能,减小推土阻力和挖掘阻力。唇基构型及其滑移切割理论对土方机械和农业机械触土部件表面的设计和优化将具有仿生学指导意义。


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2 非光滑体表模型        3 理想非光滑体表与液体的界面状态



工程应用

蜣螂非光滑体表脱附减阻仿生研究已在农业、建筑、矿山和电力等多种机械上应用,并已拓展到众多工程领域, 在空气、水、油、岩石等多种非土壤介质的多种功能仿生中呈现明显优势, 发展潜力巨大, 应用前景广阔。


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4 蜣螂非光滑体表脱附减阻仿生工程应用


参考文献

[1] Ren L Q. Progress in the bionic study on anti-adhesion and resistance reduction of terrain machines. Sci China Ser E-Tech Sci, 2009, 52(2):273-284

[2] 任露泉. 地面机械脱附减阻仿生研究进展. 中国科学 E 辑: 技术科学 2008, 38(9): 1353-1364

[3] 程红, 孙久荣, 李建桥, 任露泉.臭蜣螂体壁表面结构及其与减粘脱附功能的关系.昆虫学报,2002,昆虫学报,45(2), 175-181.

[4] 任露泉, 佟金, 李建桥, 等. 松软地面机械仿生理论与技术. 农业机械学报, 2000, 31(1): 5-9

[5] 任露泉, 陈德兴, 陈秉聪. 土壤粘附研究概述. 农业工程学报, 1990, 6(1): 1-7

[6] Ren L Q, Tong J, Li J Q, et al. Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components: A review. J Agr Eng Res, 2001, 79(3): 239-263

[7] 任露泉, 陈德兴, 胡建国. 土壤动物减粘脱土规律初步分析. 农业工程学报, 1990, 6(1): 15-20

[8] 任露泉, 丛茜, 佟金. 界面粘附中非光滑表面基本特性的研究. 农业工程学报, 1992, 8(1): 16-22

[9] 任露泉, 丛茜, 陈秉聪, 等. 几何非光滑典型生物体表防粘特性的研究. 农业机械学报, 1992, 23(2): 29-34

[10] Tong J, Ren L Q, Chen B C. Geometrical morphology, chemical constitution and wettability of body surfaces of soil animals. Int Agr Eng J, 1994, 3(1&2): 59-68

[11] Ren L Q, Deng S Q, Wang J C, et al. Design principles of the non-smooth surface of bionic plow moldboard. J Bionic Eng, 2004, 1(1): 9-19

[12] Ren L Q, Tong J, Li J Q, et al. Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components in anti-adhesion against soil: A review. In: Proc 13th Int Conf ISTVS. Munich: ISTVS, 1999

[13] Ren L Q, Han Z W, Li J Q, et al. Effects of non-smooth characteristics on bionic bulldozer blades in resistance reduction against soil. J Terramechanics, 2003, 39: 221-230

[14] Ren L Q, Tong J, Zhang S J, et al. Reducing sliding resistance of soil against bulldozing plates by unsmoothed bionics surfaces. J Terramechanics, 1995, 32(6): 303-309

[15] Ren L Q, Li J Q, Chen B C. Unsmoothed surface on reducing resistance by bionics. Chinese Sci Bull, 1995, 40(13): 1076-1080

[16] Tong J, Guo Z J, Ren L Q, et al. Curvature features of three soil-burrowing animal claws and their potential applications in soil-engaging components. Int Agr Eng J, 2003, 12(3&4): 119-130


领域专家

   任露泉、佟金、丛茜、李建桥


创建人

孙霁宇,孙航,李淑一