摘 要：生物摩擦学和仿生摩擦学已成为工程仿生科技快速发展的分支领域。针对工程实际提出的具体技术问题，探索生物结构、功能或行为机理，建立其原理模型，是工程仿生研究的基础。生物体某些部位的几何构形因在农业工程、机械工程等众多领域具有工程仿生应用前景而受到重视。土壤对地面机械触土部件的粘附严重影响机械的工作效率、工作质量、增大能耗，甚至使其无法作业，然而土壤动物却具有良好的体表防粘功能。本文对典型的土壤动物体表的非光滑表面进行特征描述，对其在工业、农业及其它领域的应用现状及前景进行了综述。
关键词：非光滑表面 工程仿生 几何形态 减粘脱附
引言
仿生被认为是原始创新的不竭动力和源泉，是一个无止境的科技前沿。仿生摩擦学是工程仿生的重要领域，是仿生学的一个重要分支。仿生摩擦学技术建立于生物摩擦学行为的认识和深入理解之上，仿生摩擦学研究内容包括仿生减摩（减阻）、仿生增摩（增阻）、仿生附着、仿生防粘（仿生自清洁）、仿生耐磨、仿生润滑等。生物所具有的各种摩擦学行为是其生存所需要的。就防粘与附着而言，若生物体表面需要防粘，其表面即进化出有利于防粘的结构表面和物质构成，典型的如荷叶效应、土壤洞穴动物的防粘脱土功能，这种防粘结构和功能被用于多种人工表面的仿生防粘乃至减阻设计中。
1生物表面粘附性的仿生学研究
生物表面的粘附是生物进化出来的适应生存环境的功能，生物的一些部位需求粘附，因而在这些部位进化出强的粘附功能，典型的生物粘附或称附着，发生在昆虫、壁虎等动物足上。最近若干年对粘附的研究有明显的进展。许多动物能够利用各种附着装置附着或行走在光滑或粗糙表面如垂直壁面和天棚上，显示出优良的附着功能。许多动物爪上具有爪垫，对光滑表面以及各种粗糙表面有很强的附着能力。
按照附着方式可大致将动物足分为三类：爪子、光滑爪垫和刚毛爪垫。动物爪子能够在粗糙表面上附着，其附着能力与表面粗糙度、爪子尖端几何形状和尺寸及摩擦系数有关。动物的光滑爪垫软且可变形，能够在光滑表面上附着，如蟑螂、蜜蜂、蝗虫和臭虫的爪垫。动物(如壁虎、苍蝇、甲虫和蜘蛛)的刚毛爪垫覆盖有较长的可变形刚毛，如图1所示。由于这些刚毛易弯曲而与表面接触形成一系列接触微区，Peressadko和Gorb认为刚毛尖端部位总体上是平的，构成端部接触单元，端部单元承担着与表面的接触，爪垫的附着力取决于接触单元的数量和与外物表面产生紧密接触的能力。
仿生附着技术还在发展中，预计通过有效的应用基础研究，仿生附着技术将会在较多领域获得应用。
2生物表面防粘性的仿生学研究
粘湿的松散物料对机械部件的粘附现象在工程中具有普遍性，尤其是土壤粘附具有较为广泛的代表性。松软土壤与地面机械触土部件接触过程中产生的粘附现象有两种表现形式：一是表现为土壤与固体表面之间形成的粘附力，二是表现为因土壤粘附力的作用而导致土壤在触土部件上形成严重的粘附积留现象。土壤粘附严重降低地面机械的作业效率和作业质量，增大能耗，甚至使机械无法作业。
柔性是土壤动物体表乃至生物界存在的力学现象。蝼蛄、蚂蚱、蟋蟀、蜣螂、步甲、田鼠等土壤洞穴动物的许多部位生长着刚毛。土壤动物体表柔性主要体现在非光滑结构单元上，因此，称之为生物柔性非光滑。这种柔性非光滑除具有非光滑表面减粘作用外，单元体的柔性对来自土壤的作用力具有缓冲作用，并通过柔性单元体的相互位移、扭曲等动作使与其接触的土壤被脱掉。土壤动物体壁、节肢的柔性性质对它们的脱土功能也有贡献。基于土壤动物体表柔性非光滑特征设计的仿生装置用于铲斗、轮斗、挖斗、自卸车车厢等触土部件上取得了显著的脱附效果。
3生物表面摩擦的仿生学研究
生物表面摩擦性能及机理研究受到较大关注，吸引了较多的研究者从事生物摩擦及其仿生摩擦研究。摩擦研究关注两个不同的目标，一个是增大表面摩擦力，一个是减小表面摩擦力，而在许多情况下又需要将摩擦力或摩擦系数控制在一定的范围而满足于相应的技术需求（如制动摩擦技术）。通过研究生物摩擦，创造仿生摩擦技术及装置是仿生摩擦学研究和技术开发的发展方向之一。
流体介质中运动表面的仿生减阻技术得到了较多的研究，在流体中运动的表面与流体之间产生摩擦力，构成运动表面的前进阻力。Carpenter详细分析了运动表面几何形态对流体运动阻力的影响。鲨鱼皮肤的减阻功能被人们用作流体减阻技术研究与开发的仿效对象，鲨鱼皮表面排布着一系列的鳞片，鲨鱼鳞片具有肋条形态，如图2所示。受鲨鱼皮肤结构表面特征及其减阻机理的启发，发明了多种流体减阻结构表面。具有这种相同仿生微观表面形态的透明塑料薄膜，可使飞机阻力减小8%，这意味着节省燃油消耗约1.5%。
Sirovich和Karlsson的研究表明：对于飞机飞行、燃料管道输送等高雷诺数情况下，涡流阻力是一个制约性能的重要因素。对于这种情况，当表面呈V-型突起形态(见图3)且为随机分布时，其阻力比光滑表面的阻力小，然而，其阻力会因V-型突起分布的微小的变化对阻力特性影响明显。表面突起减阻方法在飞机上应用涉及成本问题，对于巡航飞行的亚音速飞机而言，表面摩擦阻力是飞机全部阻力的30%，随机突起能够减阻3%左右，可使单个飞机的运行成本减小0.3%左右，就全世界而言这应该是巨大的节约技术，但考虑维修、安全因素，总体上可能会导致成本的增大，因此，这类仿生结构表面被认为在商业飞机上的应用前景不大。
水生动物和飞行动物中还有大量的未被认识的减阻结构，因此，可以推断流体减阻仿生结构表面还有广阔的研究空间。流体减阻仿生表面在车辆、水下航行器、各种飞行器上应用将有更大更快的发展，是国际科技领域竞争的热点，是值得我国重视和发展的高技术。目前，流体减阻研究还仅限于减阻及其与防粘相综合的研究，尚缺少可能导致新的先进的综合仿生技术的基础研究和技术开发。
4结束语
随着经济、社会和科技的发展，仿生摩擦学研究及其应用领域将会不断拓宽和深入。仿生摩擦学是典型的工程科学与生命科学交叉的技术领域之一，需要多学科人员的合作。国内一些研究机构在降低粘附和减小摩擦方面做了很好的工作，研制的仿生非光滑表面在防粘、减阻方面取得了显著进展并获得一定应用。流体减阻的仿生技术已经得到了广泛的关注。仿生粘附和仿生增阻研究有了一定的基础。但与国外的研究相比，在许多方面还有不小的差距，需要更多的原始创新研究工作。结合我国工业现代化和面向以精确农业为代表的新的农业科技革命及国防科技的需求，应对仿生摩擦学领域的国际竞争，大力开展仿生摩擦学的基础研究、应用基础研究和仿生摩擦学产品的产业化开发，这是仿生摩擦学的总体发展方向。
参考文献：
［1］Lu Yongxiang.Significance and progress of bionics.Journal of Bionics Engineering,2004,1:1—3.
［2］Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta.1997,202:1—8.
［3］Ren LuQuan,Tong Jin,Li JianQiao,Chen BingCong.Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components.Agricultural Engineering Research,2001,79:239—263.
［4］Yan Y Y,Hull J B.The concept of electroosmotically driven flow and its application to biomimetics.Journal of Bionics Engineering,2004,1:46—52.
［5］Gao H,Yao H.Shape Insensitive optimal adhesion of nanoscale fibrillar structures.PNAS,2004,101:7851—7856.
［6］孙久荣，程红，丛茜.蜣螂减粘脱附的仿生学研究.生物物理学报,2001,17(4):785—793.
［7］李建桥，任露泉，陈秉聪.犁壁材料表面特性与土壤粘附间的关系.农业工程学报,1996,12(2):45—48.
［8］Carpenter P.The Right Sort of Roughness.Nature,1997,388:713—714.
［9］Sirovich L.,Karlsson S.Turbulent Drag Reduction by Passive Mechanisms.Nature,1997,388:753—755.