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源于自然的灵感,吉林大学仿生科技的奇妙世界
2019-01-30 中国教育和科研计算机网

  背景介绍

  吉林大学任露泉团队突破传统认识,创建了非光滑仿生、耦合仿生理论与技术体系,发明了机械脱附、减阻、耐磨和抗疲劳等仿生新技术,解决了汽车制造、农业机械、工程机械等领域的技术瓶颈,在机械部件脱附、延寿、增效和节能方面等得到重大应用,为我国传统制造业升级做出了重要贡献。

  仿生学是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科,具有鲜明的创新性和应用性,其任务是研究生物系统的优异能力及其进化原理,将其应用到设计和制造新的技术设备之中。

  生物在“优胜劣汰、物竞天择”的过程中,经过亿万年漫长的进化,形成了与自身生存环境相适应的体表结构和特殊功能。人类通过不断地模仿自然,提高生产能力,仿生的领域和技术也不断发展。在科学技术快速发展的今天,仿生学成为生命科学、物质科学、认知科学、纳米技术、信息技术、能源技术以及制造技术等技术方案选择的宝库,极大地推动了未来科学的发展。吉林大学任露泉团队长期从事仿生科学与工程研究,取得了一系列重大成果。

  创新理论先河

  在仿生科学方面,任露泉团队历经近20年,通过对6门10纲1万多只土壤动物的观测、分析和研究,提出与传统理念相悖的土壤动物非光滑脱附减阻、土壤动物柔性动态脱附减阻以及通过生物电的测试分析提出与传统分离电渗完全不同的生物表面整体电渗等新概念;揭示了土壤动物几何形体、爪趾构形、体表结构和分泌润滑的减粘机制。

  研究团队对土壤动物体表研究发现,土壤动物体表普遍存在几何非光滑特征,即一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于体表某些部位。同一土壤动物体表不同部位呈现的几何非光滑形态各异,这与土壤动物对环境适应的生物进化过程,特别是与不同部位的触土方式有关。土壤动物非光滑体表与土壤相互作用可产生微振效应、水膜不连续效应和界面空气膜效应,不仅使粘附界面产生一定频率和振幅的微动,减少与土壤的接触面积和静接触时间,还使粘附界面的水膜呈不连续分布,使动物体表与土壤间产生局部空气膜,从而减小土壤与动物非光滑体表的粘附力和摩擦力。

  研究团队对生物柔性的动态分析和理论研究中还发现,许多生物体呈现出一维、二维和三维的多种柔形,使生物体本身的不同部分,可进行非线性大变形,并能在外力作用下恢复原形。生物柔层还会储流通流,造成土壤对柔性表面无法压实,降低负压,有效减少柔性表面的任一接触单元与土壤之间的连续接触时间,使粘附界面的粘附力减小;并通过柔性单元的相互揉动、移动、转动、振动和波动等,使与其粘结的土壤被脱离。生物柔性变形还会吸收一部分能量,使系统中用于粘附与摩擦的能量减少,从而减小柔性体表的滑动阻力。

  经过进一步的研究和思考,任露泉等人开始对土壤动物生物电展开研究,并发现运动着的体表部分受到土壤作用产生局部变形,引发出体表动作电位,相对于未运动体表部位呈负电位,正极与负极在同一表面。当体表多个部位受到刺激,就产生多处分布的负电位区。由于正负电位区距离短,电位差使靠近体表的水化阳离子向接触区流动,产生电渗现象,改善界面水润滑,从而降低界面水膜张力和黏滞力,使土壤粘附力和摩擦力减小。

  基于上述原理,任露泉团队建立了生物体表形态、构形、结构、生物电、生物润滑及生物柔性等多因素综合脱附减阻理论,形成系统的学术体系和交叉研究特色。

  创新融入生活

  在仿生工程方面,任露泉带领团队人员经过大胆的创新和缜密的研究,将理论应用于地面机械,建立了以形态仿生、柔性仿生、电渗仿生、构形仿生、润滑仿生和耦合仿生等地面机械脱附减阻仿生理论,发明多项不同于传统理念的脱附减阻仿生技术,并拓展到非土壤介质多个工程领域,进行自洁、耐磨、抗疲劳和降噪等耦合仿生研究,研制减粘犁壁、防粘镇压辊、减摩活塞、耐磨轧辊和钻头等多种仿生产品。

  机械零部件表面发生的摩擦、磨损、疲劳和粘附容易导致其效能下降、寿命缩短、资源浪费和环境污染,特别是在高温、重载等复杂界面条件下发生上述多种形式的叠加失效,其作用机制更为复杂、破坏后果更为严重,这也成为机械工程亟待解决的重大科学与技术问题。然而国内外研究团队大多重点研究表面单一失效,且主要考虑对零部件整体或表面的材料优选及其工艺优化,而针对上述复杂条件下的叠加失效,罕见多因素综合研究及其相应的技术开发。

  任露泉团队突破对该机械工程问题仅从材料角度考虑的传统认识,基于生物非光滑特性与耦合规律与多功能机制,提出用表面材料、几何形态和物理结构等多元耦合仿生原理解决工程技术难题的新理念、新方法、新技术,开展了仿生脱附与仿生耦合多功能表面构建原理与关键技术研究,获得了如下原创性技术发明:

  (1)揭示生物非光滑、生物柔性和生物电渗脱附减阻机理,建立机械脱附的仿生理论,发明的仿生脱附技术及部件;

  (2)基于潮间带贝类等动物体表不同体位多元耦合、多功能并行实现原理,发明了静态高温成型界面耐磨、抗疲劳和减粘仿生耦合一体化表面技术;

  (3)基于沙蜥背部、鸵鸟足部等生物耦合系统功能优化原理,发明了重载高温摩擦界面增阻、耐磨和抗疲劳仿生耦合一体化表面技术;

  (4)基于蝶翅、植物叶面非光滑形态、微纳结构与低能材料耦合自洁和耐磨原理,发明了静态高温多相界面仿生耦合绿色防粘和耐磨一体化表面技术。

  仿生脱附减阻技术的发明及其实施,明显提高地面机械作业性能和生产效率,从而提升了地面机械的技术水平和竞争能力。仿生耦合多功能表面技术的发明及其实施,明显提高了复杂条件下涉及耐磨、增阻、抗疲劳和减粘问题产品与部件的服役寿命和工作效率,减少了失效报废与资源消耗,促进了绿色、安全、节能、环保,提升了应用产品的高技术含量与国际竞争力,推动了相关领域的科技进步,丰富了工程仿生理论与技术体系的内容,并在学科建设、人才培养、产学研用等方面发挥了重要作用,在国际仿生领域产生重要影响。

  团队成果获国家技术发明二等奖2项,吉林省突出贡献奖及省部级科技一等奖9项。

  产品图集

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