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摘 要：工程仿生研究在农业机械领域有着较为广泛的应用，基于昆虫脱附减阻规律与食虫植物捕食现象的研究逐步形成应用于农业生产领域的工程仿生技术。本文从仿生农业机械脱附减阻及致灾农业昆虫滑移捕集滑板仿生制备的研究现状入手，主要分析了典型动植物非光滑表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理，阐述了工程仿生学在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况，并分析了工程仿生领域潜在的研究方向与发展前景。
关键词：工程仿生；农业机械；脱附降阻；猪笼草叶笼滑移区；昆虫滑移捕集滑板
中图分类号：S433.2；TP391.9 文献标志码：A
农作物的耕种与虫害防治是农业生产过程中两个至关重要的环节。在农作物耕种过程中，农业耕种机械触土部件与土壤接触时产生的黏附力导致土壤在触土部件表面黏附积留，明显降低了农业机械作业效率、作业质量和使用寿命，增加能源消耗。目前，对于农业虫害的防治主要采用喷施农药的方法，在快速有效灭杀农业害虫的同时也造成了毒素在农产品与生态环境的残留与积淀，破坏生态系统的平衡并严重威胁人类的健康。灾害蝗虫及其他昆虫的机械化滑移捕集治理技术克服了上述弊端，在昆虫的防治过程中，需要仿生制备具有良好滑移功能的捕集滑板，用以提高对灾害蝗虫及其他昆虫的捕集效率。国内外众多学者采用工程仿生理论、技术与方法等对农业生产领域出现的问题进行了大量研究，并取得了众多成果。
自然界的昆虫及其他动物经过数以亿万年的生存竞争与进化，形成了优异的几何体形结构、功能丰富的表面非光滑织构、巧妙的材料拓扑等高度适应环境的生理特性，使运动的平稳性、灵活性、能量利用高效性等方面明显优于现代农业机械系统。蜣螂、蝼蛄等土壤动物因体表具有凸包、凹坑、刚毛等特殊的非光滑结构而表现出对生存环境中潮湿土壤的不沾染特性，启发了具有良好脱土性和耐磨性的犁壁、推土板、挖掘斗、仿生开沟器、仿生深松铲柄、旋耕碎茬仿生刀片等的仿生设计与制备。田鼠、蚯蚓、穿山甲等柔性体表动物因其体表柔性，利用自身非光滑表面结构控制着与土壤的摩擦力大小，据此开展了仿生柔性镇压辊的研制，进而调整所压实土壤的坚实度，改善作业质量。猪笼草叶笼滑移区因表面微小褶皱及微纳米尺度的片状蜡质层结构而对昆虫附着系统表现出良好的滑移功能，已据此开展致灾农业昆虫滑移捕集滑板的仿生研制。以工程仿生学的视角，从动植物生理结构、功能特性所蕴含的物质、能量和信息3方面入手，对脱附降阻、耐磨、减摩等进行的研究，有利于揭示动植物表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理，有助于以仿生农业机械方式解决农作物耕种与虫害防治过程中所面临的问题，并能推动工程仿生理论及技术的发展。本文综述了工程仿生在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况，并分析了其在该领域潜在的研究方向与发展前景。
1 土壤动物蜣螂的减阻理论及其仿生应用
农作物耕作过程中，土壤是各类农业机械必定会接触到的黏附介质，其黏性受地域、季节、含水量等多种因素的影响。地面机械触土部件在与松软湿润土壤接触时产生黏附现象，表现为触土部件表面与土壤间形成黏附力及因该黏附力作用而导致的土壤在触土部件上黏附积留[1]。该黏附现象往往会降低农业机具的作业性能并增加作业功耗——传统犁壁、推土板用于克服土壤黏附力的能耗约占耕种过程总能耗的1/3。这不仅浪费能源、影响耕种效率，还加快触土部件的磨损和使用寿命的缩短。如何克服上述缺点，是国内外学者致力研究和力图解决的问题。目前减黏脱土的实现途径主要有充气、充液、表面改良、机械刮削等[2]，但由于黏附机理未得到明确阐释，且存在制造成本高、噪声大等问题，仍未得到大范围实际应用。
1.1 典型土壤动物蜣螂的减黏脱附机理
通常情况下认为物体表面越光滑，其黏附阻力越小，但观察到处于黏湿环境中的非光滑表面减黏降阻效果更为明显[3-4]。自然界中绝大多数动植物经过亿万年的进化，表现出能够适应黏湿环境的优良减黏降阻和脱附现象。蝴蝶等昆虫的翅面、海鸥等鸟类羽毛因其特殊的表面结构而具有优良的疏水减黏功能，荷叶等植物叶片具有优异的自洁功能。蜣螂、蝼蛄、穿山甲等具有优良挖掘和脱土功能的典型土壤动物，因其体表特殊非光滑形态（如图1所示），使其生活在黏湿环境中运动自如而不粘土。研究表明，土壤动物具有优异的减黏脱土性能，主要是因其自身特殊的表面结构[5-6]。
对具有较强挖掘能力的蜣螂体表进行扫描电镜观测，发现其体表具有奇特的非光滑结构，表现为头部呈现凸起及前胸背板处呈现凹陷，雄性蜣螂表现得更为明显[7]（如图2 a）和图2 b）所示）。非光滑表面的存在增大了界面液膜与空隙液化学势的不平衡而产生“楔开”压力，能够大大降低黏附力。凸包形表面减少了与土壤的接触面积，凹陷形表面使体表和土壤之间形成空气膜，降低了大气负压对土壤的作用。
进一步观察发现在蜣螂身体的腹部以及口器周围密布参差不齐的刚毛（如图2c）所示），构成了与泥土接触的柔性界面。由于爪的支撑和胸节腹部的高度差，除了当蜣螂低头推土时刚毛与之轻微接触之外，其胸部腹板很少与土壤接触。刚毛构成的柔性表面减小了黏附面积，并使体表与土壤界面之间存在一定的间隙，从而导致水膜不易形成；刚毛的抖动产生的速度及方向的变化使土壤中水分和空气的流动增加润滑和脱附作用。若蜣螂腿部、胸腹部表面和上唇基的刚毛缺损，在显微镜下则会发现蜣螂的脱附能力显著下降[8]。此外，昆虫体表上表皮具有疏水性的护蜡层、蜡质层，使蜣螂体表的憎水性进一步增加，这对其脱附减阻无疑是一个重要贡献[5]。
1.2 减黏降阻推土板仿生设计
在表面仿生改形设计方面，利用蜣螂减黏降阻的表面结构，结合推土板与土壤相互作用过程中的界面接触状态、接触阻力与土壤特性等理论，可以确定仿生推土板表面非光滑结构的形状、数量、几何尺寸及分布。球面与其他形状表面相比最不易产生黏附现象，非光滑凸起数量太多或太少都不能达到脱附减阻效果，方向和次序采取随机分布不易使其产生摆动及附加阻力[9]。利用蜣螂表面减黏结构及物理性质，可增强推土板表面的憎水性，降低推土板与土壤的黏附力[10-13]。 根据蜣螂优良的表面脱附减阻结构，仿生设计制备具有较好脱附减阻性能推土板（见图3）的研究已经开展。利用激光重熔加工技术，在不锈钢推土板表面仿生制备了蜣螂表面结构[14]，获得了较为理想的微观结构变化和常规的硬度分布。拉伸试验表明，以这样的方式获得的仿生样板的强度和韧性也都明显改进[15]。仿生非光滑推土板的推土阻力随深度、角度、速度的增大而增大，与普通曲面推土板相比可降低阻力18.09%，具有显著的降阻作用[16]。测试试验结束后，非光滑表面凸起结构未有明显磨损，表明其具有良好的脱土性能和耐磨性能。以UHMW-PE超高分子量聚乙烯为材料制成的推土板已被证实具备减小土壤黏附功能，试验表明该推土板可使土壤阻力降低10%～30%，黏附力降低10%～60%，并且土壤的湿度越大，减黏降阻效果越明显[17]。
通过DEM模拟离散单元法分别对仿生推土板和光滑推土板建立非线性力学模型，模拟土壤颗粒之间接触和土块破碎过程，结果表明仿生推土板具有更强、效率更高的土块破碎能力[18]。仿生加工具有非光滑表面结构的触土机械部件在一定程度上可降低黏附阻力，但其效果受非光滑几何单元的几何尺寸、排布方式及数量密度的影响，若组合不当反而会增加推土阻力[19]。因此，对其非光滑表面进行规范化设计[20]，得到具有最优降阻功能的非光滑表面结构设计参数成为目前研究的一个重要方面。
2 猪笼草叶笼滑移区减附机理及其仿生应用
对于蛾类、蝗虫等致灾农业昆虫的防治是一项保障农业生产顺利进行的关键措施。目前普遍采用喷施化学农药来实现对致灾农业害虫的治理，但其在快速有效灭杀农业害虫的同时也造成了毒素在农产品与生态环境的残留与积淀，严重破坏了生态系统的平衡并威胁人类的健康。在此背景下，基于致灾农业昆虫对光源的趋向特性及猪笼草叶笼滑移捕食昆虫行为的致灾农业昆虫滑移捕集技术已被提出。
2.1 蝗虫的趋光特性与光电诱导捕集技术
绝大多数致灾农业昆虫依靠其视觉器官（复眼或单眼）中的感光细胞对不同波谱范围的光刺激作出反应，并表现出对刺激光源的趋向特性。趋光特性是具有复眼结构夜行昆虫经长期自然进化形成的对环境高度适应的重要生理特征，所谓“飞蛾扑火”正是人类长期对蛾类昆虫趋光行为的形象总结。对于昆虫趋光特性的理论阐述，目前较为普遍接受的是光干扰假说和光定向假说。光干扰假说认为特定波谱的光源干扰了昆虫的正常飞行，使昆虫无法返回暗区而导致趋光行为的产生；光定向假说则认为夜行昆虫把光源当作定向导航的参照物，并以螺旋式轨迹飞行趋近刺激光源[21]。
对于蝗虫的趋光特性，鲜有明确的理论阐释，但对于蝗虫趋光行为已有普遍研究。2002年7月先后在赤峰市、多伦县、张家口等北方城市，出现的亚洲小车蝗远距离迁飞现象表明灾害蝗虫对光源具有明显的趋向行为，迁飞时间多集中在夜间，并且城市灯光越强烈趋向现象越明显。试验研究表明，蝗虫的趋光行为主要受到光频谱与光强度的影响，特定强度的蓝紫LED灯组合光源，可使蝗虫表现出较为明显的趋光反应[22]；特定频率的频闪光源也会明显增强蝗虫的趋光响应[23]，耦合振动、干扰等机械刺激的可见光源不仅能够提高蝗虫的运动敏感性，还会增强蝗虫对刺激光源的趋向运动速度[24]。
目前，对于蝗虫趋光特性鲜有明确的理论报道，但灾害蝗虫对光源的趋向行为已是不争的事实，基于灾害蝗虫趋光行为的光电诱导滑移捕集技术已被提出。该技术设置可见光源、红外光源、紫外光源等作为灾害蝗虫运动趋向控制的诱导因素，设置捕集滑板及附属机构使诱集蝗虫滑移至蝗虫收集装置（如图4所示），从而实现对灾害蝗虫的无害化捕集治理[25]。但被诱导光源引诱的蝗虫，因具有坚硬末端的爪、柔软表皮的爪垫等特殊附着系统而能够与绝大多数附着物表面形成机械锁合与柔性接触双重作用，实现稳固附着或自如行走[26]。因此，有必要研制具有特殊表面结构的捕集滑板，使蝗虫附着系统形成的机械锁合与柔性接触双重作用同时降到最低，以提高灾害蝗虫光电诱导滑移捕集治理效率。
2.2 灾害蝗虫滑移捕集滑板仿生原型
食虫性植物猪笼草依靠位于叶片末端的叶笼，实现对昆虫的引诱与捕集，并能将其消化成自身生长需要的氮、磷等元素，受到学者的广泛研究[27-28]。一般说来，猪笼草的叶笼由盖子、口缘、滑移区和消化区等4部分组成[29]，如图5所示。其中，滑移区表面具有蜡质晶体层和月骨体，能使绝大多数昆虫的附着系统丧失正常的附着功能，促使被引诱的昆虫滑移至叶笼底部[30]。猪笼草叶笼滑移区的这种特点为蝗虫滑移捕集滑板的仿生研制提供了灵感[31]。
对猪笼草叶笼滑移区表面形貌的观察发现，滑移区表面覆盖着两端向下弯曲的月骨体与形状不规则、排列致密、杂乱无序、厚度约为3 μm的蜡质晶体层，蜡质晶体层又可分为形貌、结构均不相同的顶层与底层（如图6所示）。RIEDEL对滑移区形貌结构进行了比较研究，指出滑移区呈现几乎完全相同的微形貌，均由月骨体和蜡质层构成；不同种属猪笼草之间，以及同种属猪笼草滑移区的不同部分在蜡质晶体形貌方面没有明显差别[32]。对猪笼草叶笼滑移区表面物理性质的研究有助于间接或直接揭示其对昆虫附着系统的减附影响规律，因而对滑移区蜡质晶体在化学组成、物理性质等方面已有研究。研究表明猪笼草叶笼滑移区表面具有疏水性（接触角约为165°），微纳压痕揭示了滑移区顶层蜡质晶体具有相对较低的硬度[33]。目前，对于猪笼草叶笼滑移区表面结构与物理性质虽已有大量研究，但仍需研究不同种属、不同生长阶段的猪笼草叶笼滑移区的月骨体和蜡质晶体层的形貌与结构参数，以及测试分析不同种属猪笼草叶笼滑移区的硬度、接触角等物理特性，以便为基于叶笼滑移区的蝗虫滑移捕集滑板仿生研制提供更加综合的参数信息。
猪笼草叶笼对昆虫的引诱捕获规律，以及昆虫在叶笼表面的滑移行为表现规律成为近几年的研究热点。叶笼滑移区对昆虫的捕获及防止猎物逃脱是通过表面结构的蜡质晶体、月骨体对昆虫附着系统正常附着功能的限制来实现的。对昆虫在猪笼草叶笼滑移区滑移行为的研究结果表明，由于具有各向异性结构的蜡质晶体层及月骨体的存在，具有良好附着能力的苍蝇不能够在滑移区表面行走，更不能起飞。滑移区表面的特殊结构使苍蝇附着系统中爪的机械锁合作用和爪垫的黏附作用同时降到最低，有效阻止了苍蝇的正常附着[34]。GORB研究发现滑移区顶层蜡质晶体易造成对爪垫的污染，导致黏附作用的急剧下降；底层蜡质晶体能够减少爪垫的接触面积，进一步降低黏附作用[33]。上述研究仅考虑了蜡质晶体对爪垫的影响，忽略了滑移区的月骨体、昆虫附着系统的爪，属于单重一元结构相互影响的研究，其结果对于全面揭示滑移区对昆虫附着系统的影响规律具有局限性。SCHOLZ等观察了竹节虫、蚂蚁在猪笼草叶笼滑移区的爬行行为并测试了摩擦力，指出滑移区表面粗糙度是昆虫附着功能降低的主因[35]。SCHOLZ的研究结论并不认同GORB提出的污染假说，其中的原因有待进一步研究揭示。WANG等测试了蝗虫在4种猪笼草叶笼滑移区的摩擦力，指出滑移区表面结构参数差异是造成蝗虫附着功能降低程度不同的主因[36-37]。猪笼草叶笼滑移区对昆虫附着系统的影响机理是获得滑移区工程仿生学应用的关键理论基础。滑移区对昆虫附着系统的影响规律的研究虽已开展，但未形成明确、普适的结论，仍需要继续开展大量的研究工作，尤其是在同时考虑滑移区的蜡质晶体、月骨体和昆虫附着系统的爪、爪垫双重二元结构相互影响的前提下，综合揭示滑移区对昆虫附着系统的减附机理。 若要获取基于猪笼草叶笼滑移区仿生研制蝗虫滑移捕集滑板的良好效果，需在工程应用背景下，依据仿生工程学原理，综合研究叶笼滑移区的结构参数和物理性质对昆虫附着系统的影响规律、滑移功能差异量化表征等，阐明双重二元结构前提下的减附机理，并据此有效构建致灾农业昆虫滑移捕集滑板表面微结构。
2.3 灾害蝗虫滑移捕集滑板的仿生设计与制备
基于叶笼滑移区表面形貌结构参数与反附着机理的研究，初步仿生设计并制备了蝗虫滑移捕集滑板（如图7所示）。具体以“基板+黏合剂+石墨”为制板思路，采用润滑性、滑移性均较好的鳞片状可膨化石墨为滑移区蜡质晶体的替代物，利用高压静电吸附法，将石墨吸附在基板上。针对仿生制备的捕集滑板，采用拉压式测微力系统，进行了滑移功能测试试验。结果表明，捕集滑板具有与叶笼滑移区相似的滑移功能，蝗虫在其表面的滑移率最高可达到82.4%[38-39]。
采用上述方法仿生制备的捕集滑板虽对蝗虫附着系统表现出较好的滑移功能，但受到石墨与基板结合强度不高的影响，易造成石墨的脱落，导致该捕集滑板不宜长时间使用，更不具备重复实用性。若使捕集滑板对蝗虫表现出良好的滑移功能，需在已有研究基础上，以滑移区对昆虫附着系统的影响机理为理论指导，从仿生工程学的角度出发，兼顾结构仿生和功能仿生，利用脱蜡铸造技术（两步成型法）或微纳电火花加工技术仿生制备具有与滑移区表面微结构高度类似的基板，提高石墨与基板的结合强度。
3 工程仿生在其他领域的应用
随着人类对油气需求量的增大、勘探深度以及地层复杂程度的增加，硬岩、强研磨性地层频繁出现，目前钻井设备已经很难满足需求。虽然常规的聚晶金刚石复合片PDC钻头适合对低研磨地层的钻进，孕镶金刚石钻头适合硬的地层钻进，可遇到非常坚硬且研磨性强的地层，上述钻头仍会出现诸如掉齿、耐磨性差、钻头寿命短等问题。有关学者从仿生工程学的角度对如何提高金刚石钻头钻进效率和钻头寿命2个重要方面进行了大量研究。对蜣螂进行扫描电镜观察分析得知，蜣螂体表反复经受刺激出现的非光滑凸起、凹坑、沟槽等非光滑表面形态使其具有防黏、降阻和耐磨的特性。蜣螂体表的这种特性已经应用到孕镶金刚石钻头底唇基面的仿生设计中，实验证明仿生钻头的钻速可提高44%，寿命可增加74%，耐磨特性提高93%，钻进效率提高109%[40-41]。
具有较好耐磨特性的刹车盘表面微形貌结构仿生设计研究正处于起步阶段。表面结构设计加工成宏观沟槽几何形貌的刹车盘，其摩擦系数及耐磨特性明显高于普通刹车盘。受带沟槽刹车盘[42]的启发，从仿生学角度探索刹车盘性能提高的手段措施和技术方法已开始受到关注。栖息于恶劣生存环境的甲虫、蝗虫等昆虫经漫长自然进化而具有优异耐磨特性的体表，以此抵御生存环境中风沙和其他杂物的侵蚀、磨损。昆虫体表的这种耐磨特性为刹车盘表面微结构的仿生设计提供了灵感，为刹车盘性能改善提供了新的研究思路。基于昆虫体表耐磨特性与微形貌结构间的耦合关系，建立具有较好耐磨特性刹车盘表面微结构设计的仿生模型，利用激光加工技术加工具有一定几何形态的硬质仿生单元体，可显著提高制动盘的耐磨性能。
工程仿生也将潜在应用于军事、国防、工业生产等多个领域，利用鹰眼视网膜上的感光细胞对周围亮度、方向、环境的敏感性，安装有仿鹰眼雷达系统的预警机的灵敏度和稳定度有较大的提高[43]；根据海豚特殊皮肤结构仿生设计的耦合弹性壁，试验表明，按一定尺寸排列的条纹型或凹坑型的非光滑表面形态可以使水泵叶轮表面具有明显的降阻作用，效率可提高5.23%[44]；因蝴蝶鳞片[45]表面具有脊沟等非光滑结构，其形态、密度、分布等的微小差别可产生不同的光学效应而使鳞片呈现不同的颜色，其鳞片表面结构规律性变化可吸收或散射一定频率的光波，为视频隐身研究提供了新的思路；沙漠红柳、蜥蜴[46]等在冲蚀磨损频发的环境中生活形成的对风沙抗冲蚀能力，为用于研制柔性与形态耦合仿生样件，解决冲蚀磨损问题提供依据。
4 结 语
农业机械领域普遍存在作业效率低、能源消耗大等问题，工程仿生技术基于动植物非光滑表面形态结构对生理特性的表现规律与机理，研究人员对其进行了较为深入的研究。因土壤动物体表特殊的非光滑表面结构而表现出的在潮湿土壤中不沾染特性实现了仿生推土板的成功设计，以及因猪笼草叶笼滑移区表面微小褶皱及纳米尺度的片状蜡质层结构而对昆虫表现出的良好滑移功能实现了致灾农业昆虫捕集滑板的仿生研制，均实现了良好的脱附效果。进一步明确非光滑表面形态结构的改变对脱附效果的影响规律，进行规范化仿生设计，得到最优脱附降阻功能的非光滑表面设计参数将会促进农业机械领域的工程仿生技术的完善。对动植物非光滑表面的形态结构以及其相应功能的研究也为其他仿生研究、制备提供了理论参考，并不可避免地推动工程仿生技术的发展。
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关键词：工程仿生；农业机械；脱附降阻；猪笼草叶笼滑移区；昆虫滑移捕集滑板
中图分类号：S433.2；TP391.9 文献标志码：A
农作物的耕种与虫害防治是农业生产过程中两个至关重要的环节。在农作物耕种过程中，农业耕种机械触土部件与土壤接触时产生的黏附力导致土壤在触土部件表面黏附积留，明显降低了农业机械作业效率、作业质量和使用寿命，增加能源消耗。目前，对于农业虫害的防治主要采用喷施农药的方法，在快速有效灭杀农业害虫的同时也造成了毒素在农产品与生态环境的残留与积淀，破坏生态系统的平衡并严重威胁人类的健康。灾害蝗虫及其他昆虫的机械化滑移捕集治理技术克服了上述弊端，在昆虫的防治过程中，需要仿生制备具有良好滑移功能的捕集滑板，用以提高对灾害蝗虫及其他昆虫的捕集效率。国内外众多学者采用工程仿生理论、技术与方法等对农业生产领域出现的问题进行了大量研究，并取得了众多成果。
自然界的昆虫及其他动物经过数以亿万年的生存竞争与进化，形成了优异的几何体形结构、功能丰富的表面非光滑织构、巧妙的材料拓扑等高度适应环境的生理特性，使运动的平稳性、灵活性、能量利用高效性等方面明显优于现代农业机械系统。蜣螂、蝼蛄等土壤动物因体表具有凸包、凹坑、刚毛等特殊的非光滑结构而表现出对生存环境中潮湿土壤的不沾染特性，启发了具有良好脱土性和耐磨性的犁壁、推土板、挖掘斗、仿生开沟器、仿生深松铲柄、旋耕碎茬仿生刀片等的仿生设计与制备。田鼠、蚯蚓、穿山甲等柔性体表动物因其体表柔性，利用自身非光滑表面结构控制着与土壤的摩擦力大小，据此开展了仿生柔性镇压辊的研制，进而调整所压实土壤的坚实度，改善作业质量。猪笼草叶笼滑移区因表面微小褶皱及微纳米尺度的片状蜡质层结构而对昆虫附着系统表现出良好的滑移功能，已据此开展致灾农业昆虫滑移捕集滑板的仿生研制。以工程仿生学的视角，从动植物生理结构、功能特性所蕴含的物质、能量和信息3方面入手，对脱附降阻、耐磨、减摩等进行的研究，有利于揭示动植物表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理，有助于以仿生农业机械方式解决农作物耕种与虫害防治过程中所面临的问题，并能推动工程仿生理论及技术的发展。本文综述了工程仿生在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况，并分析了其在该领域潜在的研究方向与发展前景。
1 土壤动物蜣螂的减阻理论及其仿生应用
农作物耕作过程中，土壤是各类农业机械必定会接触到的黏附介质，其黏性受地域、季节、含水量等多种因素的影响。地面机械触土部件在与松软湿润土壤接触时产生黏附现象，表现为触土部件表面与土壤间形成黏附力及因该黏附力作用而导致的土壤在触土部件上黏附积留[1]。该黏附现象往往会降低农业机具的作业性能并增加作业功耗——传统犁壁、推土板用于克服土壤黏附力的能耗约占耕种过程总能耗的1/3。这不仅浪费能源、影响耕种效率，还加快触土部件的磨损和使用寿命的缩短。如何克服上述缺点，是国内外学者致力研究和力图解决的问题。目前减黏脱土的实现途径主要有充气、充液、表面改良、机械刮削等[2]，但由于黏附机理未得到明确阐释，且存在制造成本高、噪声大等问题，仍未得到大范围实际应用。
1.1 典型土壤动物蜣螂的减黏脱附机理
通常情况下认为物体表面越光滑，其黏附阻力越小，但观察到处于黏湿环境中的非光滑表面减黏降阻效果更为明显[3-4]。自然界中绝大多数动植物经过亿万年的进化，表现出能够适应黏湿环境的优良减黏降阻和脱附现象。蝴蝶等昆虫的翅面、海鸥等鸟类羽毛因其特殊的表面结构而具有优良的疏水减黏功能，荷叶等植物叶片具有优异的自洁功能。蜣螂、蝼蛄、穿山甲等具有优良挖掘和脱土功能的典型土壤动物，因其体表特殊非光滑形态（如图1所示），使其生活在黏湿环境中运动自如而不粘土。研究表明，土壤动物具有优异的减黏脱土性能，主要是因其自身特殊的表面结构[5-6]。
对具有较强挖掘能力的蜣螂体表进行扫描电镜观测，发现其体表具有奇特的非光滑结构，表现为头部呈现凸起及前胸背板处呈现凹陷，雄性蜣螂表现得更为明显[7]（如图2 a）和图2 b）所示）。非光滑表面的存在增大了界面液膜与空隙液化学势的不平衡而产生“楔开”压力，能够大大降低黏附力。凸包形表面减少了与土壤的接触面积，凹陷形表面使体表和土壤之间形成空气膜，降低了大气负压对土壤的作用。
进一步观察发现在蜣螂身体的腹部以及口器周围密布参差不齐的刚毛（如图2c）所示），构成了与泥土接触的柔性界面。由于爪的支撑和胸节腹部的高度差，除了当蜣螂低头推土时刚毛与之轻微接触之外，其胸部腹板很少与土壤接触。刚毛构成的柔性表面减小了黏附面积，并使体表与土壤界面之间存在一定的间隙，从而导致水膜不易形成；刚毛的抖动产生的速度及方向的变化使土壤中水分和空气的流动增加润滑和脱附作用。若蜣螂腿部、胸腹部表面和上唇基的刚毛缺损，在显微镜下则会发现蜣螂的脱附能力显著下降[8]。此外，昆虫体表上表皮具有疏水性的护蜡层、蜡质层，使蜣螂体表的憎水性进一步增加，这对其脱附减阻无疑是一个重要贡献[5]。
1.2 减黏降阻推土板仿生设计
在表面仿生改形设计方面，利用蜣螂减黏降阻的表面结构，结合推土板与土壤相互作用过程中的界面接触状态、接触阻力与土壤特性等理论，可以确定仿生推土板表面非光滑结构的形状、数量、几何尺寸及分布。球面与其他形状表面相比最不易产生黏附现象，非光滑凸起数量太多或太少都不能达到脱附减阻效果，方向和次序采取随机分布不易使其产生摆动及附加阻力[9]。利用蜣螂表面减黏结构及物理性质，可增强推土板表面的憎水性，降低推土板与土壤的黏附力[10-13]。 根据蜣螂优良的表面脱附减阻结构，仿生设计制备具有较好脱附减阻性能推土板（见图3）的研究已经开展。利用激光重熔加工技术，在不锈钢推土板表面仿生制备了蜣螂表面结构[14]，获得了较为理想的微观结构变化和常规的硬度分布。拉伸试验表明，以这样的方式获得的仿生样板的强度和韧性也都明显改进[15]。仿生非光滑推土板的推土阻力随深度、角度、速度的增大而增大，与普通曲面推土板相比可降低阻力18.09%，具有显著的降阻作用[16]。测试试验结束后，非光滑表面凸起结构未有明显磨损，表明其具有良好的脱土性能和耐磨性能。以UHMW-PE超高分子量聚乙烯为材料制成的推土板已被证实具备减小土壤黏附功能，试验表明该推土板可使土壤阻力降低10%～30%，黏附力降低10%～60%，并且土壤的湿度越大，减黏降阻效果越明显[17]。
通过DEM模拟离散单元法分别对仿生推土板和光滑推土板建立非线性力学模型，模拟土壤颗粒之间接触和土块破碎过程，结果表明仿生推土板具有更强、效率更高的土块破碎能力[18]。仿生加工具有非光滑表面结构的触土机械部件在一定程度上可降低黏附阻力，但其效果受非光滑几何单元的几何尺寸、排布方式及数量密度的影响，若组合不当反而会增加推土阻力[19]。因此，对其非光滑表面进行规范化设计[20]，得到具有最优降阻功能的非光滑表面结构设计参数成为目前研究的一个重要方面。
2 猪笼草叶笼滑移区减附机理及其仿生应用
对于蛾类、蝗虫等致灾农业昆虫的防治是一项保障农业生产顺利进行的关键措施。目前普遍采用喷施化学农药来实现对致灾农业害虫的治理，但其在快速有效灭杀农业害虫的同时也造成了毒素在农产品与生态环境的残留与积淀，严重破坏了生态系统的平衡并威胁人类的健康。在此背景下，基于致灾农业昆虫对光源的趋向特性及猪笼草叶笼滑移捕食昆虫行为的致灾农业昆虫滑移捕集技术已被提出。
2.1 蝗虫的趋光特性与光电诱导捕集技术
绝大多数致灾农业昆虫依靠其视觉器官（复眼或单眼）中的感光细胞对不同波谱范围的光刺激作出反应，并表现出对刺激光源的趋向特性。趋光特性是具有复眼结构夜行昆虫经长期自然进化形成的对环境高度适应的重要生理特征，所谓“飞蛾扑火”正是人类长期对蛾类昆虫趋光行为的形象总结。对于昆虫趋光特性的理论阐述，目前较为普遍接受的是光干扰假说和光定向假说。光干扰假说认为特定波谱的光源干扰了昆虫的正常飞行，使昆虫无法返回暗区而导致趋光行为的产生；光定向假说则认为夜行昆虫把光源当作定向导航的参照物，并以螺旋式轨迹飞行趋近刺激光源[21]。
对于蝗虫的趋光特性，鲜有明确的理论阐释，但对于蝗虫趋光行为已有普遍研究。2002年7月先后在赤峰市、多伦县、张家口等北方城市，出现的亚洲小车蝗远距离迁飞现象表明灾害蝗虫对光源具有明显的趋向行为，迁飞时间多集中在夜间，并且城市灯光越强烈趋向现象越明显。试验研究表明，蝗虫的趋光行为主要受到光频谱与光强度的影响，特定强度的蓝紫LED灯组合光源，可使蝗虫表现出较为明显的趋光反应[22]；特定频率的频闪光源也会明显增强蝗虫的趋光响应[23]，耦合振动、干扰等机械刺激的可见光源不仅能够提高蝗虫的运动敏感性，还会增强蝗虫对刺激光源的趋向运动速度[24]。
目前，对于蝗虫趋光特性鲜有明确的理论报道，但灾害蝗虫对光源的趋向行为已是不争的事实，基于灾害蝗虫趋光行为的光电诱导滑移捕集技术已被提出。该技术设置可见光源、红外光源、紫外光源等作为灾害蝗虫运动趋向控制的诱导因素，设置捕集滑板及附属机构使诱集蝗虫滑移至蝗虫收集装置（如图4所示），从而实现对灾害蝗虫的无害化捕集治理[25]。但被诱导光源引诱的蝗虫，因具有坚硬末端的爪、柔软表皮的爪垫等特殊附着系统而能够与绝大多数附着物表面形成机械锁合与柔性接触双重作用，实现稳固附着或自如行走[26]。因此，有必要研制具有特殊表面结构的捕集滑板，使蝗虫附着系统形成的机械锁合与柔性接触双重作用同时降到最低，以提高灾害蝗虫光电诱导滑移捕集治理效率。
2.2 灾害蝗虫滑移捕集滑板仿生原型
食虫性植物猪笼草依靠位于叶片末端的叶笼，实现对昆虫的引诱与捕集，并能将其消化成自身生长需要的氮、磷等元素，受到学者的广泛研究[27-28]。一般说来，猪笼草的叶笼由盖子、口缘、滑移区和消化区等4部分组成[29]，如图5所示。其中，滑移区表面具有蜡质晶体层和月骨体，能使绝大多数昆虫的附着系统丧失正常的附着功能，促使被引诱的昆虫滑移至叶笼底部[30]。猪笼草叶笼滑移区的这种特点为蝗虫滑移捕集滑板的仿生研制提供了灵感[31]。
对猪笼草叶笼滑移区表面形貌的观察发现，滑移区表面覆盖着两端向下弯曲的月骨体与形状不规则、排列致密、杂乱无序、厚度约为3 μm的蜡质晶体层，蜡质晶体层又可分为形貌、结构均不相同的顶层与底层（如图6所示）。RIEDEL对滑移区形貌结构进行了比较研究，指出滑移区呈现几乎完全相同的微形貌，均由月骨体和蜡质层构成；不同种属猪笼草之间，以及同种属猪笼草滑移区的不同部分在蜡质晶体形貌方面没有明显差别[32]。对猪笼草叶笼滑移区表面物理性质的研究有助于间接或直接揭示其对昆虫附着系统的减附影响规律，因而对滑移区蜡质晶体在化学组成、物理性质等方面已有研究。研究表明猪笼草叶笼滑移区表面具有疏水性（接触角约为165°），微纳压痕揭示了滑移区顶层蜡质晶体具有相对较低的硬度[33]。目前，对于猪笼草叶笼滑移区表面结构与物理性质虽已有大量研究，但仍需研究不同种属、不同生长阶段的猪笼草叶笼滑移区的月骨体和蜡质晶体层的形貌与结构参数，以及测试分析不同种属猪笼草叶笼滑移区的硬度、接触角等物理特性，以便为基于叶笼滑移区的蝗虫滑移捕集滑板仿生研制提供更加综合的参数信息。
猪笼草叶笼对昆虫的引诱捕获规律，以及昆虫在叶笼表面的滑移行为表现规律成为近几年的研究热点。叶笼滑移区对昆虫的捕获及防止猎物逃脱是通过表面结构的蜡质晶体、月骨体对昆虫附着系统正常附着功能的限制来实现的。对昆虫在猪笼草叶笼滑移区滑移行为的研究结果表明，由于具有各向异性结构的蜡质晶体层及月骨体的存在，具有良好附着能力的苍蝇不能够在滑移区表面行走，更不能起飞。滑移区表面的特殊结构使苍蝇附着系统中爪的机械锁合作用和爪垫的黏附作用同时降到最低，有效阻止了苍蝇的正常附着[34]。GORB研究发现滑移区顶层蜡质晶体易造成对爪垫的污染，导致黏附作用的急剧下降；底层蜡质晶体能够减少爪垫的接触面积，进一步降低黏附作用[33]。上述研究仅考虑了蜡质晶体对爪垫的影响，忽略了滑移区的月骨体、昆虫附着系统的爪，属于单重一元结构相互影响的研究，其结果对于全面揭示滑移区对昆虫附着系统的影响规律具有局限性。SCHOLZ等观察了竹节虫、蚂蚁在猪笼草叶笼滑移区的爬行行为并测试了摩擦力，指出滑移区表面粗糙度是昆虫附着功能降低的主因[35]。SCHOLZ的研究结论并不认同GORB提出的污染假说，其中的原因有待进一步研究揭示。WANG等测试了蝗虫在4种猪笼草叶笼滑移区的摩擦力，指出滑移区表面结构参数差异是造成蝗虫附着功能降低程度不同的主因[36-37]。猪笼草叶笼滑移区对昆虫附着系统的影响机理是获得滑移区工程仿生学应用的关键理论基础。滑移区对昆虫附着系统的影响规律的研究虽已开展，但未形成明确、普适的结论，仍需要继续开展大量的研究工作，尤其是在同时考虑滑移区的蜡质晶体、月骨体和昆虫附着系统的爪、爪垫双重二元结构相互影响的前提下，综合揭示滑移区对昆虫附着系统的减附机理。 若要获取基于猪笼草叶笼滑移区仿生研制蝗虫滑移捕集滑板的良好效果，需在工程应用背景下，依据仿生工程学原理，综合研究叶笼滑移区的结构参数和物理性质对昆虫附着系统的影响规律、滑移功能差异量化表征等，阐明双重二元结构前提下的减附机理，并据此有效构建致灾农业昆虫滑移捕集滑板表面微结构。
2.3 灾害蝗虫滑移捕集滑板的仿生设计与制备
基于叶笼滑移区表面形貌结构参数与反附着机理的研究，初步仿生设计并制备了蝗虫滑移捕集滑板（如图7所示）。具体以“基板+黏合剂+石墨”为制板思路，采用润滑性、滑移性均较好的鳞片状可膨化石墨为滑移区蜡质晶体的替代物，利用高压静电吸附法，将石墨吸附在基板上。针对仿生制备的捕集滑板，采用拉压式测微力系统，进行了滑移功能测试试验。结果表明，捕集滑板具有与叶笼滑移区相似的滑移功能，蝗虫在其表面的滑移率最高可达到82.4%[38-39]。
采用上述方法仿生制备的捕集滑板虽对蝗虫附着系统表现出较好的滑移功能，但受到石墨与基板结合强度不高的影响，易造成石墨的脱落，导致该捕集滑板不宜长时间使用，更不具备重复实用性。若使捕集滑板对蝗虫表现出良好的滑移功能，需在已有研究基础上，以滑移区对昆虫附着系统的影响机理为理论指导，从仿生工程学的角度出发，兼顾结构仿生和功能仿生，利用脱蜡铸造技术（两步成型法）或微纳电火花加工技术仿生制备具有与滑移区表面微结构高度类似的基板，提高石墨与基板的结合强度。
3 工程仿生在其他领域的应用
随着人类对油气需求量的增大、勘探深度以及地层复杂程度的增加，硬岩、强研磨性地层频繁出现，目前钻井设备已经很难满足需求。虽然常规的聚晶金刚石复合片PDC钻头适合对低研磨地层的钻进，孕镶金刚石钻头适合硬的地层钻进，可遇到非常坚硬且研磨性强的地层，上述钻头仍会出现诸如掉齿、耐磨性差、钻头寿命短等问题。有关学者从仿生工程学的角度对如何提高金刚石钻头钻进效率和钻头寿命2个重要方面进行了大量研究。对蜣螂进行扫描电镜观察分析得知，蜣螂体表反复经受刺激出现的非光滑凸起、凹坑、沟槽等非光滑表面形态使其具有防黏、降阻和耐磨的特性。蜣螂体表的这种特性已经应用到孕镶金刚石钻头底唇基面的仿生设计中，实验证明仿生钻头的钻速可提高44%，寿命可增加74%，耐磨特性提高93%，钻进效率提高109%[40-41]。
具有较好耐磨特性的刹车盘表面微形貌结构仿生设计研究正处于起步阶段。表面结构设计加工成宏观沟槽几何形貌的刹车盘，其摩擦系数及耐磨特性明显高于普通刹车盘。受带沟槽刹车盘[42]的启发，从仿生学角度探索刹车盘性能提高的手段措施和技术方法已开始受到关注。栖息于恶劣生存环境的甲虫、蝗虫等昆虫经漫长自然进化而具有优异耐磨特性的体表，以此抵御生存环境中风沙和其他杂物的侵蚀、磨损。昆虫体表的这种耐磨特性为刹车盘表面微结构的仿生设计提供了灵感，为刹车盘性能改善提供了新的研究思路。基于昆虫体表耐磨特性与微形貌结构间的耦合关系，建立具有较好耐磨特性刹车盘表面微结构设计的仿生模型，利用激光加工技术加工具有一定几何形态的硬质仿生单元体，可显著提高制动盘的耐磨性能。
工程仿生也将潜在应用于军事、国防、工业生产等多个领域，利用鹰眼视网膜上的感光细胞对周围亮度、方向、环境的敏感性，安装有仿鹰眼雷达系统的预警机的灵敏度和稳定度有较大的提高[43]；根据海豚特殊皮肤结构仿生设计的耦合弹性壁，试验表明，按一定尺寸排列的条纹型或凹坑型的非光滑表面形态可以使水泵叶轮表面具有明显的降阻作用，效率可提高5.23%[44]；因蝴蝶鳞片[45]表面具有脊沟等非光滑结构，其形态、密度、分布等的微小差别可产生不同的光学效应而使鳞片呈现不同的颜色，其鳞片表面结构规律性变化可吸收或散射一定频率的光波，为视频隐身研究提供了新的思路；沙漠红柳、蜥蜴[46]等在冲蚀磨损频发的环境中生活形成的对风沙抗冲蚀能力，为用于研制柔性与形态耦合仿生样件，解决冲蚀磨损问题提供依据。
4 结 语
农业机械领域普遍存在作业效率低、能源消耗大等问题，工程仿生技术基于动植物非光滑表面形态结构对生理特性的表现规律与机理，研究人员对其进行了较为深入的研究。因土壤动物体表特殊的非光滑表面结构而表现出的在潮湿土壤中不沾染特性实现了仿生推土板的成功设计，以及因猪笼草叶笼滑移区表面微小褶皱及纳米尺度的片状蜡质层结构而对昆虫表现出的良好滑移功能实现了致灾农业昆虫捕集滑板的仿生研制，均实现了良好的脱附效果。进一步明确非光滑表面形态结构的改变对脱附效果的影响规律，进行规范化仿生设计，得到最优脱附降阻功能的非光滑表面设计参数将会促进农业机械领域的工程仿生技术的完善。对动植物非光滑表面的形态结构以及其相应功能的研究也为其他仿生研究、制备提供了理论参考，并不可避免地推动工程仿生技术的发展。
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