[發明專利]一種微刺鱗片型仿生幾何結構

在審

• 申請號: 201710525093.3
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107484449A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 張智泓;王曉陽;賴慶輝;張廣凱;李瑩;張兆國;佟金;曹秀龍;高旭航
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: A01B71/00
• 分類號: A01B71/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種微刺鱗片型仿生幾何結構，適用于沙土機械觸土部件表面幾何結構，屬于農業機械設備技術領域。

背景技術

在現代農業機具地面機械觸土部件與土壤接觸過程中，防粘減阻一直是科技人員對地面機械觸土部件的研究方向。其中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；二是表現為土壤粘附力的作用而導致土壤在觸土部件上產生嚴重的粘附積留現象。另外地面機械觸土部件與土壤存在嚴重的摩擦力，從而造成較大的阻力，對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，在特定的情況下需要使摩擦力滿足特定的要求。

在現代旱田農業機具仿生研究中，發現動物體表具有多種特征的幾何結構。將土壤動物體表微觀非光滑形態特征放大到毫米和厘米尺度，設計出具有仿生凸包機構仿生幾何表面的機具被證實具有良好的防粘減阻性能，從而減少了土壤對機具觸土部件造成的阻力，在現代農業生產中得到良好的推廣。

不同土壤動物在適應相似的土壤內部生存環境的進化過程中，體表為了有效降低摩擦阻力和抗磨料磨損，與土壤接觸的體表演化出特殊形態特征，盡管屬于不同物種，但體表形態同樣呈現出相似性。仿生學通過對生物體表面進一步分析研究，采用現代技術手段，進一步優化處理，實現特定的技術功能和目標。生物體表面的結構實現了人類無法完成的技術難題。運用仿生學原理解決現代農業工程中的難題是現代科技發展的一大進步，現代仿生學的研究和運用幾乎涉及各個工程領域。

將土壤動物體的表面結構運用到現代農業機械的設計中，以滿足工程技術需要是仿生學與農業機械設計與制造的結合。研究發現，自然界中的許多具有高效挖掘能力的土壤洞穴動物，例如土壤洞穴動物鼴鼠(Scaptochirus moschatus)、螻蛄(Gryllotalpa orientalis Burmeister)、穿山甲(Manis pentadactyla)、臭蜣螂(Copris ochus Motschulsky)，其用于挖掘土壤的肢體外緣輪廓具有特殊的結構與形態，這些特殊的結構與形態使土壤洞穴動物掘土時爪趾能夠輕而易舉地切入土壤，并實現高效的連續挖掘。最大限度地減小了能量消耗，提高了工作效率，這些特征恰好可以為農業機械的仿生設計提供很好的借鑒。

上述這些仿生鋸齒形結構和仿生凸包微刺結構運用到農業機具觸土部件上具有一定防粘減阻的作用，但凸包微刺和鋸齒形結構是通過挖掘時力的作用實現防粘減阻效果，在沙土環境中作業有一定的限制作用。

不同于具有凸包微刺和和鋸齒形機構的動物體表，砂魚蜥(Scincus scincus)在沙丘內部具有如游泳般自由移動的優異能力以在沙體內部以300mm/s的速度連續運動數公里，而且在這樣持續高強度的磨損環境下，其體表仍能保持完好無損，主要是因為砂魚蜥(Scincus scincus)體表具有微刺鱗片分布，在與砂礫的摩擦作用過程中，一部分微刺具有釋放靜電的作用，防止摩擦帶電而吸附砂礫；另一部分微刺使鱗片所帶靜電的極性與沙礫相同，從而通過靜電的同性相斥原理對砂礫產生排斥作用。

通過對砂魚蜥體表鱗片的磨損特性進行研究，結果表明其耐磨特性顯著優于特氟龍、玻璃甚至拋光鋼材。根據仿生學把砂魚蜥(Scincus scincus)的這些特征應用到農機具觸土部件上，通過實驗驗證仿生以后的農機具觸土部件在工作的時候起到降低摩擦阻力和抗磨料磨損作用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：本發明提供一種微刺鱗片型仿生幾何結構，用于克服旱田沙性土壤觸土部件摩擦力大、能耗高、磨料磨損強的問題，本發明以具有如游泳般自由移動的優異能力的砂魚蜥體表微刺鱗片為仿生原型，進行抽象和簡化，對砂魚蜥體表微刺鱗片進行仿生幾何結構設計，用于沙土作業，以達到減小摩擦力和增強抗磨料磨損性能的目標。

通過大量研究發現，自然界中的許多具有快速游動能力的爬行動物，其用于游動的肢體表面具有特殊的幾何結構，這些幾何結構盡管尺寸上有很大差異，但肢體表面都具有鱗片和微刺的結構特征，并且在砂魚蜥體表面有排列較為整齊的微刺鱗片結構，基于上述發現，本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：綜合學習不同爬行動物體表微刺和鱗片結構，結合砂魚蜥體表面微刺鱗片幾何結構，歸納其幾何結構特征共性和規律，提取、抽象并最大程度簡化這些特殊的微刺鱗片結構，將其應用于沙土機械觸土部件表面的仿生幾何結構設計。