2005年1月农机化研究第1期-209-典型生物非光滑理论及其仿生应用王淑杰任露泉韩志武邱兆美吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室吉林长春130025摘要对典型的哺乳动物体表植物表皮毛表皮腊土壤动物体表水生鱼类表面的非光滑表面进行特征描述并对非光滑类型进行分类阐述了仿生脱附的基本理论对其在工业农业及航空领域应用现状及前景进行了综述关键词农业基础科学生物应用非光滑仿生工程脱附降阻中图分类号S-183文献标识码A文章编号1003─188X(2005)01─0209─02生物界存在着光滑与非光滑两种界面在物理学中一般认为在光滑的界面上运动阻力小速度快但在近些年仿生学领域的研究却发现在粘湿条件下非光滑表面具有减粘脱附降阻的功能科学家在研究和寻找如何减少运动阻力和粘附时已经发现对于水生和空中飞行动物及土壤动物而言阻力和粘附最小的是某种非光滑表面而不是光滑表面围绕此问题学者们开展了激烈的讨论并进行了相关的研究通过研究动物植物非光滑表面结构及其功能设计出各类仿生产品均达到预期减粘脱附的效果通过对非光滑形态描述数学建模理论推导及计算机模拟等各类研究手段逐步建立起生物非光滑表面的脱附理论体系据此又开发出一系列仿生产品如仿生自洁膜减粘饭铲减粘降阻机械等将其应用于生产生活中均取得良好的经济效果关于生物非光滑脱附理论及其应用的研究主要有以下几方面1哺乳动物体表非光滑理论及其仿生应用早在20世纪60年代初研究海豚表面的双层柔性结构形态表明其皮肤外层较薄富弹性内层具有乳突状结构下有稠密的胶原纤维和弹性纤维交错排列其间充满脂肪这种结构形成了性能良好的消振器能有效地减弱体表液流振动防止湍流的发生另外海豚的皮肤柔性非光滑具有疏水性质能使与皮肤接触的表皮水分集合成无数环状结构这样水在海豚皮肤表面的运动就变得像球状轴承滚动使得摩擦阻力减至最小当海豚化学非光滑运动速度很大时湍流已不能靠皮肤的消振和疏水作用来消除阻力而是靠皮下肌肉与水流做同步波浪运动这样沿海豚身体奔跑的波浪消除了因高速运动而产生漩涡减少了水阻力使其运动加快据此结构人们仿制出具有减阻效果的人造海豚皮动态非光滑其皮厚2.5mm由3层橡胶薄膜构成外层0.5mm质地光滑柔软似海豚表皮中间厚1.5mm具有乳状突起其间充满粘滞硅树脂缓冲液富有弹性真皮层其下是0.5mm船壳接触板将其贴在鱼雷表面在发射过程中可以减阻50%也就意味着鱼雷形状大小动力不变时前进速度增加1倍若能研制出一种更接近海豚皮的人造材料将其贴在舰艇表面其快速航行时能像海豚皮一样做波浪运动那么其减小流体阻力作用会更有效这是柔性仿生及动态仿生理论的综合体现20世纪90年代末学者王云鹏杨晓东等通过实验对柔性仿生理论做了系统的论述对15种哺乳动物皮毛进行电镜扫描发现其毛发表面覆被鳞片且排成不同形状的非光滑结构通过比较和分析其柔性仿生功能认为柔性是哺乳动物体表乃至生物界存在的力学非光滑现象动物皮毛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的结合称之为柔性非光滑结构生物柔性非光滑结构具有良好的脱附减阻功能据此开发出柔性仿生链柔性钢衬具有明显的减粘降阻的作用应用于自卸车及铲装车抓车轮斗自卸车箱矿车上取得了显著的减粘脱附效果2莲叶效应理论及其仿生应用波恩大学首次发现莲叶表面具有微型1m的腊状毛刺非光滑特征尺寸为d=515mh=1收稿日期2004-07-16基金项目国家重大基础研究前期专项基金资助项目2002CCA012000作者简介王淑杰1965-,女吉林公主岭人副教授在读博士主要研究方向为生态农业工程及仿生工程2005年1月农机化研究第1期-210-20m具有不沾水不沾油脱附自清洁的功能后来称该作用为荷叶效应据此人们又开发出不沾水不沾油抗污染的薄膜若把它用于家庭花园桌椅贴面可以使桌椅面任凭风吹雨打仍然保持清洁一新也可将其用于太阳能板交通标牌甚至房瓦上都具有自清洁作用最近上海申得欧有限公司(原迪诺瓦公司)在北京新世纪饭店召开新产品发布会上推出荷花王硅树脂外墙涂料该产品是根据荷叶效应的仿生学原理研制的荷叶经长期进化形成独特的憎水性,当雨水落在叶片上会形成无数水珠滚落,并带走所有浮尘和微生物孢子该涂料具有4个特点一是具有特殊...
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