1、黄鼠的生物柔性脱附及其应用文献综述- 1 -前言在人们的生产生活及其他活动中，需要使用各种各样与地面有关的工作机械，如在农业生产中的各种农业机具、拖拉机、路上交通工具、土方工程机械以及军事车辆等，这些机械被统称为地面机械。它们有的在地面行走，如各种交通工具、军事车辆等，不希望破坏地面；有的以地面为工作对象，如农业机具、土方机械，需要按一定的要求加工地面 1。但不论其与地面发生何种关系，地面机械在黏湿地区（特别是在旱田、水田、滩涂、湿地、雪地和沙漠等）行走或作业时，都会受到土壤的粘附，严重影响机械的工作效率、使用寿命以及作业的质量，增大能量的消耗，甚至使机械无法正常运行和工作 2,3。大量工农业
2、的生产实践和科学研究表明土壤等黏湿物料的粘附严重影响和制约着众多工程领域的发展。在车辆工程领域、土方工程领域、农业工程领域和能源工程领域等土壤的粘附问题造成了巨大的损失，比如使车辆失去行驶能力、降低生产率以及增加能耗等 3-6。为了解决这方面的问题，许多学者把土壤粘附问题视为地面运载、挖掘、耕作机械领域的重大难题而竞相研究，但因其依据的是经典理论，采用的是传统方法，因此很难做出质的突破3,6。自古以来，自然界中的生物是人类进步的重要启发，是为人类提供包括各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。自然界中的生物经过亿万年的进化和演变，在经过大自然优胜劣汰的法则下，为了适应环境和维持生存的需要进化出
3、各种各样的形态和结构，从而具有了独特的适应自然环境的能力，这些形态、结构及其功能是工程仿生信息的重要来源。生物界中的许多物种，无论是生活在土壤中和陆地上, 还是生活在水中和空中, 虽然其生存条件差异很大, 但其中绝大多数都会遇到粘附问题，但它们经过亿万年在各自生存环境中的进化以及优化, 逐渐具有各种特殊的防粘脱附功能。尤其是土壤动物具有非常完善的减粘脱土功能 3,7，比如软体动物蜗牛，环节动物蚯蚓，节肢动物蝼蛄、蚂蚁和蜣螂，哺乳动物穿山甲、黄鼠和田鼠等，它们都能在黏湿的土壤条件下活动自如且毫不粘土。土壤动物不仅行走和“工作”两部分都具有明显的减粘脱土功能，而且其整个体表或身体都具有减粘脱土的能
4、力。文献综述- 2 -探索土壤动物的这种优异的减粘脱土功能，对于地面机械的减粘脱土具有重要的实际意义和广阔的应用前景 3,4。黄鼠是典型的土壤动物，穴居，其在土壤中能够活动自如，很好地完成挖掘等工作且身体表面却不粘土，黄鼠的这种优异的减粘脱土功能主要是因为其身体是由多层次的柔性部分构成，在其运动过程中，不同柔性段之间存在着非线性的大变形与复原，这种相对柔性的运动可以脱掉土壤 8。黄鼠的这种脱附减阻功能是工程仿生研究的一个重要方向，具有广阔的应用前景1 黄鼠的概述 9-13黄鼠是季节性冬眠哺乳动物，别名达乌尔黄鼠，又被称为蒙古黄鼠、草原黄鼠、大眼贼、豆鼠子、禾鼠等。主要分布在我国东北、西北、华北
5、等地区。黄鼠是鼠疫的主要宿主和农、牧业鼠害之一。黄鼠体型中等，略似家鼠，但眼大而突出；外耳退化，仅留残迹；四肢均衡，前爪锐利，中指尤其发达，是挖洞穴的有利工具。黄鼠主要栖息于森林草原、荒漠平原、半荒漠草原，少数种类如长尾黄鼠可分布到海拔2000米以上的高山地区。黄鼠按其种群一般可分为四类：1.长尾黄鼠：此种为松鼠科黄鼠属的动物。在中国大陆，分布于黑龙江、新疆、内蒙古等地，常见于山地草原。2.赤 颊 黄 鼠 ： 此 种 为 松 鼠 科 松 鼠 属 的 动 物 。 在 中 国 大 陆 ， 分 布 在 新 疆 、内 蒙 古 等 地 ， 主 要 生 活 于 荒 漠 以 及 半 荒 漠 。3.天 山 黄
6、 鼠 ： 为 松 鼠 科 松 鼠 属 的 动 物 。 分 布 在 帕 米 尔 高 原 西 部 ， 天 山区 域 的 中 西 部 ， 包 括 哈 萨 克 斯 坦 ， 吉 尔 吉 斯 斯 坦 ， 乌 兹 别 克 斯 坦 和 中 国 新疆 伊 犁 地 区 等 地 。 它 一 般 生 活 与 低 山 丘 陵 地 带 的 山 地 、 草 原 和 荒 漠 草 原 ，海 拔 500-3000米 的 区 域 。4.达 乌 尔 黄 鼠 ： 为 松 鼠 科 松 鼠 属 的 动 物 。 在 中 国 大 陆 ， 主 要 分 布 在 陕西 、 青 海 、 内 蒙 古 、 甘 肃 、 河 北 、 东 北 三 省 、 山
7、东 以 及 宁 夏 等 地 ， 多 生 活与 草 原 和 半 荒 漠 地 带 。在 我 国 用 于 科 学 研 究 的 黄 鼠 主 要 为 达 乌 尔 黄 鼠 ， 以 下 介 绍 达 乌 尔 黄 鼠的 一 些 特 征 。文献综述- 3 -1.1 达乌尔黄鼠的生物学特征1.1.1 形态特征达乌尔黄鼠属啮齿目，松鼠科，黄鼠属，是小型地栖松鼠类的一种，体长约200 mm，体重212-443 g。眼大而圆，故名“ 大眼贼”。耳壳退化，短小脊状。尾短，约为身长的1/3。爪尖利且呈黑色。1.1.2 食性黄鼠是以植物性食物为主的杂食动物，其食物包括莜麦、谷苗、豆芽、苜蓿、萝卜、胡麻等28种植物以及昆虫、小鸟
8、等小动物。1.1.3 年龄在自然界中，黄鼠的寿命不超过4-5年，多数为2-3年。黄鼠的年龄判定一般以牙齿颜色深浅和磨碎程度，体长和体重为标准。鼠龄越大，门齿就长，颜色越深，体长越长。1.2 达乌尔黄鼠的生物学特征1.2.1 分布规律达乌尔黄鼠为群 居 性 的 地栖型松鼠，主要分布在东北、西北、华北地区，主要栖居于草原、耕地及景观开阔地区。1.2.2 生活环境黄 鼠 在 各 种 栖 息 地 内 的 密 度 ， 依 季 节 变 化 和 食 物 条 件 为 转 移 。 当 农 作物 播 种 一 个 月 左 右 ， 即 立 夏 阶 段 ， 一 部 分 鼠 迁 往 耕 地 内 ， 到 秋 季 作 物 成
9、 熟时 ， 又 迁 至 原 住 地 。 所 以 黄 鼠 在 一 个 地 区 内 居 住 密 度 ， 由 于 繁 殖 和 迁 移 的缘 故 ， 在 不 同 季 节 内 有 很 大 的 变 化 。1.2.3 繁衍生殖黄鼠每年繁殖一次，交 配 期 从 3月 下 旬 开 始 ， 至 5月 中 旬 雌 鼠 进 入 怀 孕期 。 每 胎 产 仔 6-7只 。 黄 鼠 从 交 配 到 产 仔 28天 ， 到 幼 鼠 分 居 两 个 多 月 时 间 ，母 鼠 在 分 居 不 久 ， 会 另 挖 新 洞 ， 做 冬 眠 准 备 。1.2.4 洞型构造黄鼠是群居性的动物。它们的洞穴多筑于荒地、坟地、地塄、荒草坡、
10、干旱沙滩以及多年生苜蓿地、草木樨地等。黄鼠洞穴分为常住洞、临时洞。一般常住洞光滑、整齐、湿润、多为垂文献综述- 4 -直洞。洞口直径6-8厘米，洞长2.9-4.3米，洞深1.1-1.4米。洞内巢室的巢材新鲜、干燥、暖和。洞内可分巢、粪便洞、盲洞等。临时洞比较简单，洞道比较浅短，仅作为临时休息和避敌用。1.2.5 生活习性黄鼠是冬眠动物，一年中只有6个月的活动时间，其余时间在休眠中度过。黄鼠一般与3月24日至5月上旬出蛰（结束休眠） ，期间会出现两个高峰，清明节后（主要是雄鼠） ，谷雨节前（主要是雌鼠） ，有明显的先雄后雌的顺序。出蛰与气候有密切的关系，春季气温逐日回升，日平均上升2-5度，地面
11、温度4-6度，地中 1米深处温度2度左右，雄鼠开始出蛰；当气温上升到10度，地表温度升到12度以上，雌鼠才出蛰。 黄鼠经过6个月以上的活动，到10月份天气变冷就封洞深入到1米以下的窝巢内，进行冬眠（也称入蛰） 。入蛰一般由10月初开始，到10月底结束。入蛰的顺序是先雄后雌，最后是当年生幼鼠。冬眠前将来年的出来洞道挖好，但不挖到地面，然后入穴将接近住窝的洞道堵塞，蜷伏巢内，嘴鼻紧贴肛门，不食不动，体温降到4度，心脏跳动缓慢。2 生物柔性概述生物柔性是指生物体自身一部分相对另一部分发生了非线性的大变形，但在外力作用下有能恢复原位的能力。生物柔性一般包含两方面的含义：一方面是生物体产生的非线性大变形
12、的原因不仅与外力的作用有关,而且还与其自身的形状、尺寸、弹性模量等有关；另一方面是指大变形是可以恢复的,但必须借助外力或自身激励 14,15。通常可将柔性变形分为以下三种 14,16：一维形变（线形变）：单位时间内发生的伸长量，相当于线应变率。二维形变（面形变）：单位时间内发生的面积形变量，相当于面应变率。三维形变（体形变）：单位时间内发生的体积型变量，相当于体应变率。在研究中用于表征生物体产生大变形的能力与程度的量，称为生物柔度，也称生物柔性柔度。但其与一般力学中定义的柔度不同，它不仅与材料自身性质有关，也与材料尺寸、形状有关；用材料的单行模量与屈服极限应力之文献综述- 5 -比表示，而不是
13、仅用材料的弹性模量的倒数表示，另外其尺寸形状部分用长细比表示。根据生物体表的基本构成单位即柔性单元的空间运动形态，可以将生物柔性的运动方式分为移动柔性、转动柔性、振动柔性和波动柔性四种类型，它们可以互相转换与复合。根据生物柔性基本的特征与功能总结部分有代表性生物的共同特点，采用材料力学中队研究单元的分类方法，可以将生物柔性的单元分为以下三类：大柔性杆单元纤毛、刚毛。许多生物（田鼠、黄鼠）的体表组织有纤毛或刚毛，它们起到支撑、感知、缓冲、减阻等作用。刚性板单元鳞片、硬壳。像穿山甲、蜣螂等具有坚硬外壳的土壤动物，其坚硬外壳可看作室刚性板单元。柔性体单元柔性基质。大多数生物肌体组织由于其良好的柔性结
14、构，可将其看作为柔性体单元。3 生物柔性的脱附降阻原理和实现方式 15-17土壤对固体表面的粘附包括法向粘附作用和切向粘附作用，在减轻土壤法向粘附时，生物体表及其体表局部减产生的移动柔性、转动柔性、振动柔性和波动柔性，会造成土壤对柔性非光滑表面无法压实，有效地减少了柔性非光环体表上的任一接触单元与土壤之间的连续接触时间，使粘附界面的粘附强度减弱。同时，柔性非光滑结构与体表憎水性一起使生物体表与土壤间易形成复合界面，在生物体表的波谷处形成空气截流，生物体表局部的柔度不同，使土壤对生物柔性非光滑体表上局部的粘附程度不同，粘附界面无法形成连续的水膜，从而降低了土壤的粘附能力。生物体表柔性和非光滑的综
15、合作用，导致柔性非光滑具有良好的防粘功能。切向粘附构成界面滑动阻力的一部分，根据摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)定律，当触土表面为柔性非光滑表面时，其几何非光滑性质使界面接触面积减小；鼠毛的憎水性与几何非光滑结构的综合作用产生润湿滞后，使界面水膜与柔性非光滑之间形成复合界面，土壤对其的粘附力下降；生物体表的柔性变形对来自土壤的压力有缓冲作用，从能量观点分析，柔性变形将吸收一部分能量，使滑动系统中用于粘附与摩擦的能量减少，在摩尔-库仑(Mohr-文献综述- 6 -Coulomb)定律中表现为作用在接触界面上的真实法向压力降低：生物柔性非光滑体表是生物有机材料，属低能材料，它与土壤的固有摩擦
16、系数低于土壤与钢铁等高能材料的摩擦系数，上述因素的综合作用，使生物柔性非光滑体表的滑动阻力减小，导致其具有良好的降阻功能。4 黄鼠的生物柔性脱附生物柔性是土壤动物体表乃至生物界存在的力学现象。土壤动物柔性一般是通过其体表非光滑结构单元来实现的，这种柔性与体表非光滑结构具有良好的脱附减阻功能。黄鼠是典型的土壤动物，其全身被毛黄鼠的毛是其柔性单元，黄鼠毛分为真毛和绒毛两种，均表皮角质化，其毛由毛干和毛根组成，毛根下面膨大部分为毛球,内含毛乳头,围绕于毛根外为毛囊组织。黄鼠毛的各部分的柔性不同，具有多层次。黄鼠在掘土过程中，通过其自身不同柔性段之间存在的非线性的大变形与复原的柔性运动脱掉身上粘有的土
17、壤。柔性变形还能吸收能量，降低系统粘附力与摩擦热，各身体柔层段还可以储流、通流，减弱接触面间的粘附强度，从而达到不粘的效果。另外，黄鼠皮毛表面含有憎水性的蜡质层，这种憎水表面也有减粘脱土的功能。5 生物柔性脱附仿生应用生物柔性仿生的基本思想是仿土壤动物体表柔性结构单元，在地面机械触土部件上设计一系列具有柔性特征的功能部件或辅助部件，使其具有明显的脱附减粘的作用。生物柔性仿生技术在挖掘机、斗轮机、火车、煤矿车上有广阔的应用前景 15,17。根据黄鼠、田鼠毛的柔性结构的脱附功能，吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室研制开发了自卸车、挖掘机铲斗、运煤矿车的仿生柔性内衬以及仿生柔性镇压辊等，具有广
18、泛的应用。6 结束语生物柔性及其仿生技术是多学科交叉的前沿性科学，具有明显源头创新的特色，研究内容包括生物学、工程仿生学、机械学、生物力学、控制理论、界面理论等多个学科，尤其是对具有典型生物柔性功能的土壤动物的研究及文献综述- 7 -其仿生，将其应用于工程机械，具有重大的意义。随着对土壤动物的脱附减阻功能研究的深入，我们相信，仿生脱附减阻在理论（包括生物电渗脱附、体表润滑脱附体表柔性脱附以及其耦合作用）和技术上都会取得令人鼓舞的进步。文献综述- 8 -参考文献1 任露泉,陈德兴 ,陈秉聪.土壤粘附研究概述J.农业工程学报,1990,6(1):1-7.2 任露泉.地面机械脱附减阻仿生创新之路C.
19、 中国农业机械学会 2008 年学术年会论文集,2008:1-7.3 任露泉.地面机械脱附减阻仿生研究进展J.中国科学,2008,38(9):1353-1364.4 刘国敏.蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生研究D.长春:吉林大学,2009.5 任露泉,佟金,李建桥等.松软地面机械仿生理论与技术J.农业机械学报,2000,31(1):5-9.6 Ren L Q,Wang Y E,Li J Q,et a1.Flexible unsmoothed cuticles of soil animals and their characteristics of reducing adhesion and res
20、istanceJ.Chinese Science Bulletin,1998.43(2):166-169.7 Lu Quan Ren,Jin Tong,Jian Qiao Li,Bing Cong Chen.Soil adhesion and biomimetics ofsoil-engaging components:a ReviewJ.J.Agric.Engng Res.2001,79(3),239-263.8 http:/ 王琦,马宁 ,李春明.达乌尔黄鼠实验动物化研究J.安徽农业科学,2010,38(4):1857-1859.10http:/ ,李因武,孙久荣.黄鼠柔性体表在体降阻行为
21、研究J.农业机械学报,2004,35(5):161-164.13陈卫,高武 ,罗泽.中国动物志兽纲第六卷啮齿目(下册)(M).北京:科学出版社, 2000.14杨晓东,任露泉 .生物柔性变形与弹性、塑性变形特征分析(J).吉林大学学报(工学版),2002,32(4):78-80.15任露泉,韩志武 ,杨晓东,王云鹏.生物柔性的仿生学原理及其应用C.全国地面机器系统学会第十一届年会论文集,2002:116-119.16杨晓东,任露泉 .生物柔性运动特征与柔性仿生减阻实现方式C.全国地面机器系统学会第十一届年会论文集,2002:7-11.17任露泉,佟 金,李建桥,陈秉聪.生物脱附与机械仿生多学科交叉新技术领域J.中国机械工程,1999,10(9):984-986.
