picacg哔咔官网入口：蜣螂或许是解决机械粘附杂质，提高工作效率和使用寿命的最优解

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在机械工程中，粘附问题普遍存在于以颗粒湿松散物料为对象或介质的地面机械工作部件上，严重影响机械的工作效率和使用寿命。多年来，人们从不同角度研究了土壤粘附的机理，提出了各种不同的假说。

目前的研究理论和技术，减附的方法主要有：充注式——连续向工作部件注入气体或液态润滑剂；热脱附——加热土壤和工作部件界面，借以减少水的表面张力来减少粘附力；电渗法——使土壤内的水分迁移到界面，达到减粘作用。

表面改性——改变工作部件表面涂层材料的性质（如增加憎水性）；表面改形——改变工作部件表面形状与土壤的粘附力和阻力；此外还有震动或刮削式脱附等。这些方法和技术在某些程度上存在缺陷或不易操作、或效率不高、或复杂而笨重。

人类惯于向大自然学习一些生活在土壤中的动物，如蜣螂、蚯蚓等具有非凡的减附功能。仿生学是否为解决减附难题提供新的启迪？

揭示这些土壤动物的减粘脱附的生物学机制，将为减附的研究和应用开辟新的途径。

车蜣螂（Coprisochus Motschulsky）属昆虫纲（Insecta）、鞘翅目（Coleoptera）、金龟子科（Scarabaeidae），是一种典型的土壤昆虫和常见的粪食性物种，多成群钻人粪堆中取食，切割粪便，滚动成球形，并在粪堆下或附近打洞（洞深50-60厘米），把粪球推进洞内作为食物、繁殖后代。

雌、雄蜣螂多同居，常常是雄性参与取食，而雌性多旁观，或至多作点辅助性工作。车蜣螂体形较大，雌雄异形，雄性头背部生有角状突起（角突），易于捕捉和观测。

以前已对金龟子科动物进行过观察和研究，但仅在分类学上有简单外形描述，关于蜣螂减粘脱附的研究及仿生学应用几乎是个空白。根据结构化学的相关理论，观察了蜣螂体表的化学构成，探讨土壤粘附机理，提出减黏脱土的可能性。

我们设想，土壤动物如蜣螂的减附功能粘脱是其长期进化的结果。土壤的减粘主要是表面现象，减粘脱附的机制可能涉及到体表的精细形态、物质结构、电位变化和分泌物，以及其固有的运动模式等方面picacg漫画。

用扫描电镜观测车蜣螂体表的形态，用生物电观测技术记录了蜣螂活动时体表电位的变化，并仿蜣螂体表的形态和表面电位原理，制作了部分的器械和测试，以期为减附的仿生学研究和应用提供新的理论和技术。

蜣螂减粘脱附的机制。通过扫描电镜观察蜣螂体表的微观结构，发现蜣螂体表由隆起、凹陷、裂缝和孔隙等组成，导致其表面非光滑。

大量长短不一的刚毛构成柔性界面。研究表明，蜣螂活动时体表呈负电位变化，峰值可达-150mv。

同时，通过制作非光滑表面来模拟蜣螂的骨骼结构，如犁壁和椎土板，可以明显减少阻力并提高减粘脱附效果。此外，通过设计新的电渗模型，也可以显著减少土壤对蜣螂体表的黏附，实现减粘脱附效果。

蜣螂的采集和饲养

所用车蜣螂于夏、秋季采自北京市延庆县和辽宁省义县。野外和实验室观察了大约300只。采集200只，养于实验室，笼具内敷80cm深的土，一角置新鲜马粪。保持土层的湿润，光照和温度同室外。

扫描电镜观察

取雄、雌性蜣螂各4只，体长分别为21-26mm和22-28mm。用10%甲醛固定后，将蜣螂身体分解为头、前胸、中后胸及腹部等几部分，酒精和乙酸戊二酯逐步脱水，每一在足的各个节外侧沿生有长7-10微米的短刚毛和长约60微米的长刚毛，后者的表面呈小锯齿状。

鞘翅表面被纵向的彼此间隔约12毫米的淘纹分割为长条形区域。区域内不规律分布极短的剐毛。纵沟在电镜下呈念珠状，沟宽约58微米，念珠间隔约150微米，念珠宽约为100微米。在念珠区的中央有小孔与下方沟通，孔直径仅3-4微米，孔口有分泌物。

雄性鞘翅边缘有十数排覆瓦样排列整齐的鱼鳞状突起，每隔50-80微米长有一平均长度为25微米的刚毛。雌性有1-2排分泌孔，直径不超过8微米，没有鱼鳞状刻纹。

表面电位的观测

实验室内观测40只蜣螂（其中20只雄性）不同部位的表面电位。蜣螂在活动时周身各个部位都可以记录到电位变化。电位呈负、正波交替发生，负波大于正波幅度。幅度和变化与运动程度正相关。幅度因身体部位不同而异。

在头部的唇基（12±8）mV、雄性前胸部背板（9±5）mV和腹部足间（24±7）mV可以记录到较高幅度的电位，尤其是滚粪球时，在腹部足间表面电位比身体其他部位的高（P<0.01），可以记录到高达40-50 mV的电位。明显高于蚯蚓的表面电位，后者在头部记录到最高幅度约为30-35 mV。

模仿蜣螂的行为与滚粪球的关系很密切，因为它们的头部唇基具有非光滑的表面。为了改进电渗模面和制造新的界面，我们设计了犁壁、推土铲和饭勺。其中，仿蜣螂体表电位设计了新的电渗模面，用于改进发电厂的漏煤斗的内壁并进行电渗脱附实验。

进行了实地和实验室的粘附力测试，实地测试在黑龙江青山农场和吉林省二道河发电厂进行。实验室测试装置将土样放置在托盘上，土样表面分别与不同特制表面接触，并施加正压力使土样与特制表面和托盘接触紧密。

特制表面分别为仿蜣螂体表的非光滑表面、对照的光滑表面、仿蜣螂运动时体表电位设计的新的电渗模面（其中+和-分别接电源的正、负极）及其对照的不通电表面。粘附力以拉脱土样时特制表面单位面积上的最大牯附力(g／cm²)表示。实验结果由计算机记录并处理。

结果部分，进行了4对雄性和雌性蜣螂体表精细结构的扫描电镜观察。观察到雄性和雌性蜣螂坚硬的几丁质蛋白复合体外骨骼表面和鞘翅表面有大量无规律走行的裂纹或窄缝，长度可达100微米，宽度和深度为几个微米。

头的背部以角突为中心呈放射状排列有密集的鱼鳞坑状凸、凹陷，凹陷中央生有短刚毛凸起的坑面倾向外周。角突的前侧和外侧的凸、凹陷形状规则，凸起高度约为20微米，长约50-70微米，宽约40-60微米，间距100-200微米，呈点阵状密布；角突两侧基部的凸、凹陷前后交错排列，呈波浪状田埂状，坑深15-20微米，长100-200微米，宽90-100微米。

角状突起后部的凸、凹陷数量逐渐减少，表面较为平坦。头部的腹面和口器的四周密集着多层次的长、短刚毛。腹面边缘处的长刚毛多成束状向外伸出。前胸背面有与头背部相似的鱼鳞状凸、凹陷，但凹面、刚毛和孔口朝向后缘。

后缘最外侧有前后两排形状像铜钱样圆形凹，直径在50-100微米之间，隆起的基部直径约为33-43微米，在隆起的中央有一根短刚毛，长22-39微米，毛根下有一小孔。这些结足背面有孔洞和短刚毛突起。腿节与基部相接的背面呈海绵状凹凸不平。

腿节的表面有大量圆盘状凹陷，直径在58-85微米之间。这些凹陷与前胸背板后缘的刚毛感器相似；胫节的外侧缘呈锯齿状，布有大量规律排列的鱼鳞状凸、凹陷，凹陷面向外侧，坑沿的隆起与胫节长径平行。

为了模仿蜣螂滚粪球行为，选择与头部唇基最相关的非光滑表面，设计了新的推土板，并制造了具有非光滑表面的犁壁。犁壁的减粘脱附效应的测试在实验室土槽和田间进行。

实验室土槽测试：测试用的土壤为黄粘土，控制含水量在19.9％到21.296之间。先用震实器将土样压实，平均坚实度为0.69MPa。犁体悬挂在土槽两侧轨道台车上，保持耕深为20cm，由拖拉机牵引，耕作长度为20m。

结果显示，与普通二铧犁相比，仿生犁壁具有减粘脱附效果，在耕速6.8km/h条件下，阻力降低了12.7％。

仿生犁壁与普通光滑犁田间作业的比较：在黑龙江青山农场秋翻中，用8块仿生犁壁参与作业，土壤为黑沙土，含水量在24.5％到27.5％之间，土壤温度在5-10℃之间，耕深为17-22cm，耕速为6.8km/h。与普通20钢光滑犁相比，仿生20犁降阻了12.7％；与普通35钢光滑犁相比，仿生35犁降阻了18％，省油了12.6％。整个秋翻后（连续工作30天），非光滑表面未见明显磨损，表明仿生非光滑表面的犁壁具有很好的应用前景。

本课题组先后设计、制造了仿生推土板和不粘性饭勺。与普通推土板相比，仿生推土板减粘了29.3％。不粘性饭勺上市后，受到使用者一致的肯定和欢迎。

调查内容：35%含水量的土样，电极间距7cm，正压力37.7Pa的测试条件下，用电渗仪测得结果显示，电渗明显降低界面的黏附力。此外发现以下几个现象：

（1）电渗时间对电渗效果有一定影响，相同电压下，电渗时间越长效果越好，短时间电渗需要更高的电压才能得到相同效果。

（2）在一定范围内，电渗效果随电压增加而增加，但存在一个效果“饱和电压”，即电渗时间为5秒和10秒时，饱和电压分别为24V和10V。

（3）黏附力与能耗呈指数曲线关系，用P=K·模型可以较好地模拟出单位面积的黏附力与耗电量之间的关系，其中K和k为特定系数，与电渗控制因素（如时间）有关，也取决于土样的性质（如含水量）。P-E关系曲线表明，能耗有一个最佳范围，在最佳范围内，以最小能耗取得最大的降低黏附力效果。

（4）总储电池消耗为105.05A/h，表明电渗技术的可行性。

改写后内容：在测试条件为土样含水量35%，电极间距7cm，正压力37.7Pa的情况下，使用电渗仪进行测试得到的结果显示，明显观察到电渗技术降低了界面的黏附力。

此外，还发现以下几个现象：电渗时间对电渗效果有一定的影响。在相同电压下，电渗时间越长，效果越好；而短时间电渗需要更高的电压才能达到相同的效果。

在一定的范围内，电渗效果随电压的增加而增加。然而存在一个效果达到“饱和电压”的现象。当电渗时间为5秒和10秒时，饱和电压分别为24V和10V。

黏附力与能耗之间呈指数曲线关系。可通过P=K·模型较好地模拟单位面积黏附力与耗电量的关系。其中K和k为特定系数，与电渗控制因素（如时间）和土样性质（如含水量）有关。P-E关系曲线表明在最佳范围内，能耗与降低黏附力效果成正比，最佳能耗可以获得最大的降低黏附力效果。

总储电池消耗为105.05A/h，表明电渗技术的可行性。

载机装土67次后，铲斗的左右两壁和底部积满黏土。所有仿生电渗模的铲斗，在电压12V，通电30秒后，铲斗内积满的黏土自行脱落。经过20次实验显示，推土阻力平均降低15%至41%，降低黏附现象非常明显。

铲斗和土壤，在推土机推土板与土壤有效接触时间在13秒左右，这有利于发挥电渗作用。

吉林省二道河发电厂工人使用普通漏煤斗，每天要几次用钢杆捅陈粘贴在内壁上的煤粉，否则煤不能下漏。用仿生电渗漏斗后，一年来没有发生堵塞事故，不仅免除捅煤的辛苦，而且提高了工效，深得电厂的好评。

进一步模拟蜣螂体表电位的实验表明：(1)采用交替变化的电位进行电渗脱附更有效，且交流电在较低频率(如20Hz)比高频率(如100Hz)作用显著。这可能是土壤水在低频交变的电场中容易被移动。

由于惯性的原因，土壤水难以被高频交变的电场从界面析出。(2)适当扩大负电极板面积有利于脱附，电渗横面的比例如1：1和1：3都好；(3)将仿生非光滑表面和仿生电渗相结合，使仿生电渗的正、负极的安排更方便，脱附效应更高。正、负电极板的面积以1：2，通电电压12V情况下作业，推土阻力平均降低30%至41%。

蜣螂进出于粘性较大的粪便和泥土中，身体粘附粪便和泥土。它能自由行动，体表必然进化成与之适应的结构。凹陷和隆起构成的非光滑表面是其中之一。头和胸背部的隆起、头和前胸背板以及足面密集的鱼鳞状、圆盘凸凹陷、鞘翅的纵向波浪状念珠状沟槽等构成与粪便和泥土直接接触的非光滑表面。

雄性鞘翅的边缘独有十几排覆瓦样整齐排列的鱼鳞状刻纹，强化了此部位的非光滑性。雄性头、背部的起伏不平的隆突和凹陷程度比雌性的更明显。这有利于雄性蜣螂更多地参与推割粪便和掘地打洞。

这是雄性蜣螂的推粪和掘洞的长期生活习性使然。而同科属，生活在树上的独角仙的头部表面非常光滑。

从理论上推测以及现有的研究表明，这种非光滑表面具有减粘脱附的作用。实际上，人们在研究和寻找如何减少运动阻力时，已经发现，对于水生和空中飞行动物而言，阻力最小的是某种程度的非光滑表面，而不是光滑的表面。

Neinhuis和Barthlott研究了荷叶不粘油污的性质。这一性质被他们称为“荷叶效应(Lotus-effect)”……。实际上，荷叶表面也是非光滑的。

此外，在蜣螂身体的外周、腹部、尤其在口器周围密布参差不齐的刚毛，在体壁外构成一个柔性界面。

这种分布恰当地反映了上述部位在动物的生活中减粘脱附的作用和必要性。这是蜣螂的柔性减粘脱附机制。蜣螂体壁和鞘翅表面的裂纹、孔洞和缝隙也是有利于减粘脱附的。

孔洞可能与体表下方的分泌腺体相连，这些腺体的分泌物含油性物质，使蜣螂外骨骼的上表皮具有蜡质和油质，有一定的憎水性。它们的存在无疑是有利于动物体表及其刚毛具有的减粘脱附的性能。这是我们下一步仿柔性界面减粘脱附研究和应用的课题。

土壤的黏附力f主要是以下六种力的和，即f：fm + fe + fe + fv + fw + fg，其中fm为土壤与外物接触点分子间的引力；fe为土壤表面双电层中外层阳离子通过界面水膜的极性分子与外物表面间的静电引力；fe为土壤水浸润土壤微粒和外物表面，在界面接触点周围形成弯月面产生的毛细管力。

fv为土壤溶液的粘滞阻力；fw为界面液膜与孔隙液化学势的不平衡而产生的“楔开”压力，它趋于将界面分开，减少黏附力；fg为界面土壤发生黏闭形成的空气负压的吸附力。非光滑表面减粘脱附的机理在于它有效地减少土壤黏附表面，降低界面的空气负压，限制连续水膜的形成和改善界面的润滑，使fm、fe、fe、fv、fg等降低，而fw增加。

在动物体表对土壤的相对运动过程中，土壤对体表的摩擦阻力F也可用库仑方程：F = CA + P - tg中表示，其中c为土壤黏附力，A为接触面积，P为垂直界面正压力，中为土壤对动物体表的外摩擦角。对于一定土壤条件，黏附程度主要取决于接触面积A，所以，减少接触面积是减粘脱附的关键。非光滑表面无疑使体表与土壤表面间存在一些间隙，可有效地减轻大气对土壤的作用。

非光滑表面的凸起减少接触面积，而凹陷可产生有气、无土、无水区，即使对于含水量较多的黏性土，也会使水膜不易连续。非光滑表面产生与前进方向垂直的微震，使界面土壤不断受到垂直界面的正反两向力的反复作用。

这样，一方面缓解土壤对动物表面的压力，另一方面由于微震产生的加速度使土壤中的水分和空气易于选出，从而增加润湿和减附作用。生物电源自构成生物体细胞的内、外电位梯度。体表电位的主要成分可能是肌电在体表上的体现。

背部记录电极越是靠近鞘翅正中或两侧的缝隙，所记录的电位越高。电极插入体内记录的电位更高。新鲜的动物体表是有一定潮湿性(可能有自身的分泌物，也可能来自土壤的水分)。

如果把蜣螂久置在非生活的环境(如实验室人为干燥空气或用灯照射)中，虽然动物活动可能保持不变，甚至加剧，但很难记录到其背部表面的电位变化。干燥的几丁质鞘翅表面阻抗太大于几十兆欧姆。是否存在鞘翅的压电效应，待进一步观测。

根据土壤一固体材料五层界面模型，土壤与固体表面间的水膜在充分厚的条件下，依次分布着五种不同结构的水，中间一层是自由水层。由于自由水层的结构比其他四层结构松散，因此，土壤与固体间的相互作用力最弱。当水膜厚度很小时，不足以形成自由水层+土壤与固体间的相互作用力较强。

利用电渗可使水膜加厚，从而减少土壤与固体表面间的黏附力电渗和电泳一样可产生一种电动现象。土壤中的水分子带有正电荷，土壤颗粒带有负电荷。在电场作用下，土壤颗粒向正极移动的现象为电泳；土壤水分子向负极移动的现象为电渗。

以触土部件为负极，适当安排正极的位置，可以使土壤中的水向负极移动形成水膜，降低触土部件与土壤之间的相互作用力，起到减粘脱附的效果。这种正、负极分离的电渗方式被称为分离式电渗采用非光滑表面造型，以凸起为正极，以工作面为负极，制备出仿生电渗模面。模拟蜣螂体表电位的正、负交替电场。将非光滑表面触土部件分为多个相间区域构成正、负交替电场，使电渗效果没有"死区"，脱附效果更好。picacg哔咔官网入口

这仅是减粘脱附的初步仿生研究和应用，为减粘脱附的研究提供了新的信息，展示了减脱附仿生学的重要应用前景。我们将进一步根据生物特性造模，进行数学模拟，筛选最佳方案，并尽可能将各种生物非光滑表面、柔性、电渗作用，其表面构成和分泌物结合起来，相信会达到更好的减粘脱附效果。