生物電滲脫附減阻-蚯蚓

1、蚯蚓的生物電滲脫附減阻及其應(yīng)用前言地面機(jī)械（包括在地面上行走的載運(yùn)機(jī)械和車輛以及以地表和土壤為作業(yè)對(duì)象的農(nóng)業(yè)機(jī)械和鏟運(yùn)機(jī)械）的觸土部件的脫附減阻一直是國內(nèi)外許多學(xué)者致力研究的重要技術(shù)問題，特別是土壤(旱田、水田)、灘涂、濕地、沼澤、雪地、沙漠等對(duì)車輪、履帶和作業(yè)部件表面的粘附和阻力，嚴(yán)重影響機(jī)械的工作效率、使用壽命和作業(yè)質(zhì)量，增大能量消耗，甚至使機(jī)械無法正常運(yùn)行、作業(yè)1,2。大量的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐以及科學(xué)研究表明，土壤等黏濕物料的粘附問題嚴(yán)重影響和制約著眾多工程領(lǐng)域的發(fā)展。在車輛工程領(lǐng)域，即使性能優(yōu)良的越野汽車輪胎，在黏濕地帶也會(huì)因粘土的粘附和滯留變成光輪而失去行駛能力3,4；在土方工程領(lǐng)域，土

2、壤對(duì)裝載機(jī)鏟斗、挖掘機(jī)挖斗、自卸車車廂等工作部件的粘附積土量可達(dá)其斗(廂)額定容量的20%50%，降低生產(chǎn)率30%5；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上，耕種機(jī)械能耗增加30%50%，使播種機(jī)械減少出苗率5%10%；在能源工程領(lǐng)域，煤礦礦車和發(fā)電廠斗輪機(jī)輪斗平均粘煤量可達(dá)其額定容量的40%，降低生產(chǎn)率30%47%1,2,6。因此，許多學(xué)者把土壤粘附問題視為地面運(yùn)載、挖掘、耕作機(jī)械領(lǐng)域的重大難題而競(jìng)相研究。但是，因其依據(jù)的是經(jīng)典理論，采用的是傳統(tǒng)方法，故未能做出質(zhì)的突破7。自古至今，自然界的生物是人類的進(jìn)步的重要源泉，為人類提供包括各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。自然界的生

3、命經(jīng)歷了長(zhǎng)期的進(jìn)化，在經(jīng)過大自然優(yōu)勝劣汰的法則下，為了適應(yīng)環(huán)境和維持生存的需要進(jìn)化出各種各樣的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，這些形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其功能的仿生解決了許多技術(shù)難題。原吉林工業(yè)大學(xué)(現(xiàn)吉林大學(xué))的研究人員任露泉教授等在近10年的時(shí)間里，踏踏實(shí)實(shí)地對(duì)6門10綱1萬多只土壤動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的、大量的生物測(cè)試、理論分析、計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)8，發(fā)現(xiàn)其具有完善的減粘脫土功能，表現(xiàn)出其與生存環(huán)境的高度統(tǒng)一，如軟體動(dòng)物蝸牛(Fruticicda)，環(huán)節(jié)動(dòng)物蚯蚓(Eisenia foetida)，節(jié)肢動(dòng)物螻蛄(Gryllotalpa)、螞蟻(Formicidae)及蜣螂(Catharsiusmolossus L)，哺乳動(dòng)物穿

4、山甲(Manis pentadactyla)、黃鼠（Citellus dauricus）等，能完全適應(yīng)黏濕的土壤條件，在其中能夠自如活動(dòng)而毫不粘土1,6。土壤動(dòng)物在行走和“工作”兩部分都具有明顯的脫附減阻功能，而且其整個(gè)體表或全身都有脫附減阻的能力。研究表明，土壤動(dòng)物的這一特殊功能，是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，包括生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)成、柔性、電滲、潤滑及其協(xié)同、耦合、復(fù)合等，這些因素及其相互協(xié)同作用，形成了生物體自身具有的脫附減阻功能特性1,9。探索土壤動(dòng)物這種優(yōu)異的減粘脫土功能，對(duì)于地面機(jī)械的減粘脫土具有重要的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。蚯蚓是一種典型的土壤動(dòng)物，在黏濕的土壤環(huán)境中能活動(dòng)自如而

5、毫不粘土，其優(yōu)異的減粘脫土功能是其體表結(jié)構(gòu)、體表電滲、體表潤滑、體表柔性以及其特有的運(yùn)動(dòng)方式等多因素耦合作用的結(jié)果6,10。本文主要介紹蚯蚓的體表電滲及其應(yīng)用前景。1 蚯蚓及其脫附1.1 蚯蚓的概述11-13蚯蚓是一種典型的土壤動(dòng)物，屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門寡毛綱后孔寡毛目陸生動(dòng)物。蚯蚓生活在土壤中，世界上大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)都有蚯蚓的存在，但海洋是蚯蚓的天然屏障，沙漠和終年冰雪區(qū)也非常少見。蚯蚓是晝伏夜出型動(dòng)物，以畜禽糞便和有機(jī)廢物垃圾為食，連同泥土一同吞入。蚯蚓一般體長(zhǎng)約60120mm，體重約0.74g。蚯蚓身體呈圓筒形，褐色稍淡，約由100多個(gè)體節(jié)組成。前段稍尖，后端稍圓，在前端有一個(gè)分節(jié)不明顯的環(huán)帶。

6、腹面顏色較淺，大多數(shù)體節(jié)中間有剛毛，在蚯蚓爬行時(shí)起固定支撐作用。在11節(jié)體節(jié)后，各節(jié)背部背線處有背孔，有利于呼吸，保持身體濕潤。蚯蚓生活在潮濕、疏松和肥沃的土壤中，依據(jù)蚯蚓的習(xí)性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能，蚯蚓一般被分為3種生態(tài)類群，即表?xiàng)?、?nèi)棲類和深棲類，不同生態(tài)類群的食性和習(xí)性迥異。表?xiàng)愔饕∈惩帘淼蚵湮?，少量或不取食土壤，一般沒有洞穴，遇到干擾時(shí)會(huì)快速運(yùn)動(dòng)離開；內(nèi)棲類取食礦質(zhì)層特別是多有機(jī)物土壤，在1015cm土層有連續(xù)而廣泛但非永久的水平洞穴，其行動(dòng)遲緩；深棲類在土表分解凋落物或?qū)⒌蚵湮锿先攵囱?，有時(shí)取食土壤，一般具有深入土壤3m，大而永久性的垂直洞穴，遇到干擾時(shí)會(huì)快速縮回洞穴。蚯蚓是

7、通過肌肉收縮（環(huán)肌和縱肌交替舒張和收縮）向前移動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)時(shí)，一些體節(jié)的縱肌層收縮，環(huán)肌層舒張，則此段體節(jié)變粗變短，表現(xiàn)為收縮態(tài)，著生于體壁上的剛毛伸出，插入周圍土壤；此時(shí)其前一段體節(jié)的環(huán)肌層收縮，縱肌層舒張，此段體節(jié)變細(xì)變長(zhǎng)，表現(xiàn)為舒張態(tài)，剛毛縮回，與周圍土壤脫離接觸，如此，由后一段體節(jié)的剛毛支撐，即推動(dòng)身體向前運(yùn)動(dòng)6。1.2 蚯蚓的脫附特征4,6,7,9,10蚯蚓是一種典型的土壤動(dòng)物，其能夠在黏濕土壤中活動(dòng)自如而毫不粘土，這主要是與其體表的一些特征（如體表結(jié)構(gòu)、體表柔性、體表潤滑以及體表電滲）及其特有的運(yùn)動(dòng)方式相關(guān)的。 體表結(jié)構(gòu)蚯蚓體呈圓柱狀，細(xì)長(zhǎng)，各體節(jié)相似，節(jié)與節(jié)之間為節(jié)間溝。頭部不明

8、顯，由圍口節(jié)和可伸縮蠕動(dòng)的口前葉組成，圍口節(jié)為第1體節(jié)，自第2體節(jié)始環(huán)生著剛毛，此為蚯蚓的運(yùn)動(dòng)器官，在運(yùn)動(dòng)和“工作”中起支持作用 體表柔性任露泉等對(duì)蚯蚓體表柔性及其防粘特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)蚯蚓具有有利于土壤脫附的柔性非光滑表面，在地面爬行時(shí)為二維柔性非光滑表面，而在土壤中掘穴時(shí)就轉(zhuǎn)化為三維柔性非光滑體。這種特殊表面能產(chǎn)生柔性變形和非光滑效應(yīng)，具有明顯的防粘特性。 體表潤滑潤滑是生物減小摩擦阻力的有效方式，許多土壤動(dòng)物體表會(huì)分泌具有潤滑功能的體表液。蚯蚓是典型的具有體表分泌液的土壤動(dòng)物，當(dāng)蚯蚓在土壤中運(yùn)動(dòng)或受到刺激時(shí)，便從體腔內(nèi)分泌出液體物質(zhì)。蚯蚓體表液是含有粘蛋白的水的稀溶液，體表液成為界面滑

9、動(dòng)的剪切層，在蚯蚓與土壤滑動(dòng)接觸過程中具有體表潤滑作用。 體表電滲蚯蚓在運(yùn)動(dòng)過程中，體表部分受到土壤作用產(chǎn)生局部變形，引發(fā)體表產(chǎn)生動(dòng)作電位，相對(duì)于未運(yùn)動(dòng)體表部位呈負(fù)電位，正極和負(fù)極在同一表面。當(dāng)體表多個(gè)部位受到刺激，就產(chǎn)生多處分布的負(fù)電位區(qū)。由于正負(fù)電位區(qū)距離短，電位差使靠近體表的水合陽離子向接觸區(qū)流動(dòng)，產(chǎn)生電滲現(xiàn)象，改善界面水潤滑，從而降低界面水膜張力和黏滯力，使土壤粘附力和摩擦力減小。孫久榮、任露泉等對(duì)蚯蚓體表不同部位電位進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，靜息時(shí)體表電位為零；運(yùn)動(dòng)中頭部、體中部和尾部的單環(huán)間體表電位分別為21±11、11±6.6和11±4.0毫伏。所以，蚯

10、蚓體表電位的幅度、時(shí)程、波形和頻率與蚯蚓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著密切的關(guān)系。 運(yùn)動(dòng)方式蚯蚓是通過肌肉收縮來運(yùn)動(dòng)的，觀察蚯蚓的運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓在土壤中打洞前行時(shí)，其前端的口前葉尋找一個(gè)合適的縫隙伸入其中，然后膨脹起來，像楔子一樣插入土中，其后部體節(jié)伸出剛毛，固定后端，而后再收縮前端的環(huán)肌產(chǎn)生向前的推力，使前部體節(jié)向前推進(jìn)。環(huán)節(jié)的收縮沿著體節(jié)一節(jié)一節(jié)地向后傳輸，當(dāng)環(huán)肌收縮后，前部的縱肌收縮，使蚯蚓身體后端向前拉，環(huán)肌與縱肌協(xié)調(diào)地收縮使蚯蚓向前運(yùn)動(dòng)2 電滲脫附減阻松散黏濕物料對(duì)工作部件表面的粘附是一種普遍存在的現(xiàn)象，而土壤對(duì)工作機(jī)械的觸土部件的粘附最為嚴(yán)重和最具代表性。為了減少土壤粘附以降低土壤阻力，國內(nèi)外的學(xué)

11、者從不同角度進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，開發(fā)了很多減粘降阻的實(shí)用方法和技術(shù)1。理論研究表明，土壤與固體材料之間的水膜對(duì)土壤的粘附起著決定性的作用，這層水膜的厚度影響著土壤的粘附力，水膜越厚，土壤的粘附力越小。如果采用某種方法加大土壤和固體材料之間水膜的厚度，就能降低土壤對(duì)固體材料的粘附力，當(dāng)粘附力小于土壤內(nèi)聚力時(shí)，就達(dá)到脫附減阻的效果14。電滲技術(shù)具有這種特性，電滲是指在電場(chǎng)的影響下，帶電荷的液體對(duì)攜帶相反電荷的固定介質(zhì)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。電滲現(xiàn)象與土壤膠體的雙電層結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，列依斯實(shí)驗(yàn)證明土壤粘粒是帶負(fù)電荷的，而土壤中的水分以水合陽離子的形式存在，帶有正電荷，所以電滲技術(shù)可以利用電場(chǎng)力的作用使

12、土壤中的水合陽離子向電場(chǎng)負(fù)極方向移動(dòng)，從而使界面水膜厚度增加，起到減粘脫附的作用。例如，在樁基的施工過程中采用電滲方法，可以降低沉樁阻力，提高沉樁速度；將電滲技術(shù)應(yīng)用在耕作機(jī)械上，可以減少粘附，降低犁耕阻力?，F(xiàn)有的常規(guī)電滲技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，正極與負(fù)極是分離布置的，就是將工作機(jī)械的工作部件的表面作為負(fù)極，另設(shè)一部件作為正極，這種方式成為分離式電滲。由于這種電滲的正負(fù)極是分離布置的，兩者相距較遠(yuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度比較弱，要取得較好的電滲效果就需要比較大的電滲電壓，約為100300V，所以這種電滲方式電能消耗大，安全性較差。為了解決這個(gè)問題，吉林大學(xué)的任露泉教授等研究了蚯蚓的生物電系統(tǒng)，測(cè)量各個(gè)不同部位的電位，

13、基于生物表面電滲現(xiàn)象，提出了整體表面低壓仿生電滲原理，將正負(fù)極布置于同一表面，與觸土面形成一體，電滲電壓將至1224V14。3 蚯蚓的生物電滲自然界中生物體表組織經(jīng)過億萬年的進(jìn)化和優(yōu)化，具有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能，這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能的仿生隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展被越來越多的領(lǐng)域所重視和應(yīng)用。比如受到響尾蛇的啟發(fā)研制的紅外線探測(cè)器，受到海豚本能的啟示研制的聲納1。土壤動(dòng)物生活在土壤中，能夠活動(dòng)自如而毫不粘土，現(xiàn)在以蚯蚓為例來說明土壤動(dòng)物體表生物電的電滲減粘脫土機(jī)理。蚯蚓生活在粘性潮濕的土壤中，大多活動(dòng)在地下25cm之內(nèi)的表層土中，這層對(duì)工作機(jī)械的觸土部件的粘附最為嚴(yán)重，而蚯蚓卻能不發(fā)生明顯的粘附作用。

14、通過對(duì)蚯蚓的生物電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)蚯蚓在運(yùn)動(dòng)過程中，體表各部位存在著毫伏級(jí)的電位差，且體表電位均呈負(fù)電性，這就是土壤動(dòng)物體表具有的與傳統(tǒng)分離式電滲完全不同的生物表面整體電滲現(xiàn)象14。蚯蚓在土壤中運(yùn)動(dòng)，靠的是前端各環(huán)節(jié)的縱肌伸長(zhǎng)和環(huán)肌收縮向前移動(dòng)的，各環(huán)節(jié)肌體表面受到周圍土壤不同程度的接觸、擠壓和摩擦等各種刺激，在體表相應(yīng)部位產(chǎn)生不同大小的動(dòng)作電位，相對(duì)那些固定的并未受到刺激的各環(huán)節(jié)肌體的體表電位呈負(fù)電性。蚯蚓體表各環(huán)肌體表面存在的電位差，必將在周圍土壤內(nèi)形成生物電場(chǎng)。生物電場(chǎng)的存在必然對(duì)土壤起到電滲作用，迫使肌體周圍的土壤內(nèi)的水合陽離子向先運(yùn)動(dòng)的各環(huán)肌體表面移動(dòng)，從而在肌體表面形成一層有利于減粘脫附

15、的水膜6。蚯蚓體表的電滲作用方式與以往減粘脫附降阻的電滲技術(shù)不同。其體表電滲的特點(diǎn)是，正負(fù)極在肌體表面同時(shí)存在，雖然其電位幅值很小，只有毫伏級(jí)，但是卻有明顯的效果。這種正負(fù)極在同一表面的電滲稱為表面電滲，這正是蚯蚓的體表電滲優(yōu)于以往的常規(guī)電滲方面，進(jìn)行蚯蚓的體表電滲仿生可以大大提高減粘脫附的效果，提高安全性（工作電壓降低為1224V）。4 蚯蚓的體表電滲仿生及應(yīng)用蚯蚓作為土壤動(dòng)物的典型代表，其身體表面的減粘脫附降阻的功能，使得其在黏濕的土壤中能夠行動(dòng)自如，身體表面卻毫不粘土。這對(duì)于解決普通工作機(jī)械的觸土部件的粘土嚴(yán)重的現(xiàn)象提供了一種途徑，即對(duì)蚯蚓的減粘脫附功能的結(jié)構(gòu)或機(jī)理進(jìn)行仿生研究和應(yīng)用，研

16、制具有減粘降阻功能的機(jī)械。蚯蚓的體表電滲系統(tǒng)在減粘脫附降阻中起著重要的作用，為了研究其原理及應(yīng)用，先后有多位學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。孫久榮15等對(duì)蚯蚓體表電位采用多種方法進(jìn)行了測(cè)定，分析了蚯蚓體表電位與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，認(rèn)為蚯蚓體表電位的幅度、時(shí)程、波形和頻率與蚯蚓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著密切的關(guān)系，測(cè)出了其體表電位值。任露泉、叢茜等提出了一種解決粘附問題的有效方法非光滑表面電滲技術(shù)（仿生表面電滲脫附方法），這種方法和傳統(tǒng)電滲技術(shù)相比，由于是仿土壤動(dòng)物（蚯蚓）體表的電滲特征，把正負(fù)電極布置在同一工作部件表面上，大大縮短了電極的距離，也大大的降低電滲電壓（1224V）的使用。并將表面電滲技術(shù)應(yīng)用在鏟斗上，有效地減少

17、了土壤的粘附，極大地提高了工作效率。研究表明，對(duì)于不同的黏濕物料，應(yīng)用不同類型的仿生電滲，會(huì)產(chǎn)生不同的電滲效果。因此，在仿生電滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮電極的形狀、尺寸和分布等。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意地面機(jī)械觸土部件的作用方式和作業(yè)狀態(tài)。仿生電滲在觸土面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小或準(zhǔn)靜態(tài)的界面粘附系統(tǒng)，具有明顯優(yōu)勢(shì)和大的應(yīng)用潛力14。5 結(jié)束語蚯蚓普遍地存在于地球上除了冰川、沙漠、南北極等極端環(huán)境和海洋之外的各種生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中，反映出其具有驚人的生態(tài)適應(yīng)能力。由于其對(duì)生態(tài)具有良好的改良作用，所以被廣泛譽(yù)為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”。蚯蚓在生態(tài)與農(nóng)業(yè)中的重要作用受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的重視并開展了廣泛的研究，主要集中

18、于醫(yī)藥開發(fā)，垃圾處理，土壤改良，污水凈化，環(huán)境指示，生態(tài)恢復(fù)，食品加工等方面。蚯蚓是一種典型的土壤動(dòng)物，在黏濕的土壤中能活動(dòng)自如，毫不粘土。蚯蚓的減粘脫土特性隨著仿生學(xué)的興起，已越來越受重視，國內(nèi)外學(xué)者開始競(jìng)相研究，提出蚯蚓的減粘脫土功能是與其體表非光滑結(jié)構(gòu)、生物電滲系統(tǒng)、體表潤滑、體表柔性及復(fù)雜的伸縮運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的。蚯蚓的這些特性，特別作為代表的體表電滲的仿生越來越受到專家學(xué)者重視，他們研究蚯蚓體表的電滲系統(tǒng)，以此來進(jìn)行研究，改善常規(guī)電滲中存在不足，并已取得了一定的效果，大大降低了土壤對(duì)工作機(jī)械觸土部件的粘附，顯著地提高了工作效率。相信隨著研究工作的深入，蚯蚓的生物電滲仿生能取得更大的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)1 任露泉.地面機(jī)械脫附減阻仿生研究進(jìn)展J.中國科學(xué),2008,38(9):1353.2 任露泉.地面機(jī)械脫附減阻仿生創(chuàng)新之路C. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2008:1.3 任露泉,佟金,李建橋等.松軟地面機(jī)械仿生理論與技術(shù)J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2000,31(1):5-9.4 任露泉,陳德興,陳秉聰.土壤粘附研究概述J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).1990.6(1):1-7.5 Ren L Q,Wang Y E,Li J Q,et a