青島市技師學院 孔令超

松軟地面機械仿生理論與技術

青島市技師學院 孔令超

生物長期存在于自然壞境中，知道怎樣才能適應生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，擁有人類難以企及的生存本領。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們不斷借助科學工具，去認識、探討生物的結構和功能，這也為其他學科的發(fā)展提供了借鑒。工程仿生學的重要組成部分包括了生物科學、機械工程以及松軟地面力學等，進行松軟地面機械仿生研究工作，離不開對這幾方面的研究。

松軟地面；機械仿生；理論技術

1 前言

科技是一把雙刃劍。一方面，科技的發(fā)展把我們帶入了現(xiàn)代文明，但另一方面也浪費了大量不可再生資源，破壞了生態(tài)平衡。因此，“綠色工程”越來越受到人們的關注，當我們找到生物學、松軟地面力學以及機械工程學之間最佳的契合點之后，就產生了松軟地面機械仿生學。

2 施工面對的難題

2.1 土壤和地面機械的粘附性

粘附性產生的情況有兩種。一種是土壤和固體表面之間所形成的粘附力；第二種是在土壤粘附力作用下導致的土壤在機械觸及土壤的部件上產生粘附的現(xiàn)象。土壤粘附對施工的進行造成了巨大的阻礙。它會降低地面機械的作業(yè)效率，造成高能耗，情況嚴重時會使機械停止作業(yè)。在農業(yè)工程領域，各種大中型機械化農業(yè)裝備使用量逐年增加，這從側面要求有效的脫附減阻技術出現(xiàn)，以提高生產效率，避免產生經濟損失。

2.2 地面機械通過性差

地面機械在行走時產生的牽引力依靠于行走機構和土壤之間的摩擦力。但是松軟土壤的承壓能力較弱，并且抗剪切強度也較低，這會造成機械的下陷、打滑，嚴重時會出現(xiàn)無法行駛的狀況。我國在二十世紀中葉開始研究拖拉機下水田，通過不懈的努力，研制出了機耕船等工具，為解決水田作業(yè)機械問題作出了巨大貢獻。國外學者通過改變輪胎尺寸、履帶的寬度等，使地面機械的通過性問題得到了較大的發(fā)展。

2.3 沙漠面積的利用

我國西北部沙漠廣布，運輸主要依靠于沙漠車輛。近年來，沙漠氣田的發(fā)現(xiàn)掀起了對沙漠車輛研究的熱潮。以塔克拉瑪干沙漠為例，這里的沙粒顆粒較小并且均勻，但因這一區(qū)域風力較大，沙粒極易受到磨損，最后呈現(xiàn)出的是類似球形的地貌。沙粒堆積決定了松軟地面的物理形狀以及結構，因為可壓性低，對地面機械壓力的承受能力也比較弱?；谶@一限制，目前沙漠中資源的利用率仍然很低。

3 生物脫附原理以及脫附防減阻仿生學

3.1 生物非光滑及仿生非光滑脫附減阻

非光滑效應存在于系統(tǒng)中各種影響切向阻力的因素中，目前已有研究證明了生物非光滑表面的存在，并且，同一土壤生物體表各部位的非光滑狀態(tài)是不同的。在力學上，這種非光滑結構單位的表現(xiàn)為剛性、彈性或者是柔性，以此為依據設計出來的仿生非光滑推土板、仿生犁壁都具備一定的脫附減阻性。

3.2 生物體表潤濕性及仿生脫附減阻材料

土壤動物的體表與水分子的引力可忽略不計，這是它們防粘性強的原因。動物體表的表面張力低，水分子不易被吸附。人類從中獲得啟發(fā)，將生物梯度結構概念引入耐磨材料的設計中，取得了一定的脫附減阻成果。

3.3 生物電、生物潤滑、生物柔性及其仿生

土壤動物的體表一般都比較柔軟，柔軟性取決于其非光滑的結構單元。因為具備柔性非光滑的雙重作用，土壤動物脫附減阻的功能十分強大。借鑒這一原理，將具有非光滑特性的仿生裝置制作成一些會經常接觸到土壤的部件，可使其具備良好的脫附性能。

4 仿生步行輪及仿生步行輪式氣墊車

4.1 仿生步行輪

通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)動物在松軟地面能夠快速、安全通過。以此為靈感提出了仿生步行輪設計理念。同樣，這一地面機械理論為其他的研究者提供了新思路，越來越多的仿生步行輪被制造出來，包括半步行輪、機械傳動式步行輪等等。它們的出現(xiàn)，大致上確定了之后的研究方案的方向?？梢酝ㄟ^確定一些基本參數(shù)例如必行輪的腿數(shù)、腿長、以及連桿的長度、偏心距的比值還有輪轂的轉角度數(shù)等等，確定設計的原則和方法。

4.2 仿生步行輪式氣墊車

仿生步行輪式氣墊車是一種適合行駛于松軟地面的運輸車輛。這種氣墊車主要由車體、驅動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，主要參數(shù)包括車輛質量、最大墊升力等，通過車底、圍裙、地面三者產生的壓力托起整個車輛，從而實現(xiàn)車輛的驅動以及轉向功能。

5 結束語

許多領域都會與生物科學產生交叉，要加強對仿生技術的研究，進行創(chuàng)新，保持并發(fā)展好這一優(yōu)勢技術項目。在我國社會主義初級階段的國情之下，綠色仿生研究技術是一大熱點，它符合節(jié)約資源、保護環(huán)境的基本國策，符合科學發(fā)展觀的要求，也符合廣大人民維持生態(tài)平衡的愿望。

[1]尚濤,王昕,李建橋.開發(fā)減粘降阻仿生鉆具的可行性[J].吉林大學學報(工學版),2015(03).

[2]秋實,楊印生,任露泉.地面機械系統(tǒng)的混沌學研究初探[J].農業(yè)機械學報,2015(05).

[3]楊有剛,劉迎春.仿生式開溝機設計理論的研究[J].農業(yè)機械學報,2014(01).

[4]李因武.土壤/推土板界面粘附系統(tǒng)的數(shù)值模擬[D].吉林大學,2015.

[5]孫璐.土壤粘附特性測試系統(tǒng)采樣頻率及控制參數(shù)的研究[D].吉林大學,2016.

[6]錢志輝.仿生非光滑耐磨表面應力——應變本構關系研究[D].吉林大學,2016.

孔令超，男，1978年出生，本科，中級，一級實習指導教師，研究方向：機器人應用。