生物电渗脱附减阻-蚯蚓

1、蚯蚓的生物电渗脱附减阻及其应用前言地面机械（包括在地面上行走的载运机械和车辆以及以地表和土壤为作业对象的农业机械和铲运机械）的触土部件的脱附减阻一直是国内外许多学者致力研究的重要技术问题，特别是土壤(旱田、水田)、滩涂、湿地、沼泽、雪地、沙漠等对车轮、履带和作业部件表面的粘附和阻力，严重影响机械的工作效率、使用寿命和作业质量，增大能量消耗，甚至使机械无法正常运行、作业1,2。大量的工农业生产实践以及科学研究表明，土壤等黏湿物料的粘附问题严重影响和制约着众多工程领域的发展。在车辆工程领域，即使性能优良的越野汽车轮胎，在黏湿地带也会因粘土的粘附和滞留变成光轮而失去行驶能力3,4；在土方工程领域，土

2、壤对装载机铲斗、挖掘机挖斗、自卸车车厢等工作部件的粘附积土量可达其斗(厢)额定容量的20%50%，降低生产率30%5；在农业工程领域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上，耕种机械能耗增加30%50%，使播种机械减少出苗率5%10%；在能源工程领域，煤矿矿车和发电厂斗轮机轮斗平均粘煤量可达其额定容量的40%，降低生产率30%47%1,2,6。因此，许多学者把土壤粘附问题视为地面运载、挖掘、耕作机械领域的重大难题而竞相研究。但是，因其依据的是经典理论，采用的是传统方法，故未能做出质的突破7。自古至今，自然界的生物是人类的进步的重要源泉，为人类提供包括各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。自然界的生

3、命经历了长期的进化，在经过大自然优胜劣汰的法则下，为了适应环境和维持生存的需要进化出各种各样的形态和结构，这些形态、结构及其功能的仿生解决了许多技术难题。原吉林工业大学(现吉林大学)的研究人员任露泉教授等在近10年的时间里，踏踏实实地对6门10纲1万多只土壤动物进行了系统的、大量的生物测试、理论分析、计算机模拟和试验8，发现其具有完善的减粘脱土功能，表现出其与生存环境的高度统一，如软体动物蜗牛(Fruticicda)，环节动物蚯蚓(Eisenia foetida)，节肢动物蝼蛄(Gryllotalpa)、蚂蚁(Formicidae)及蜣螂(Catharsiusmolossus L)，哺乳动物穿

4、山甲(Manis pentadactyla)、黄鼠（Citellus dauricus）等，能完全适应黏湿的土壤条件，在其中能够自如活动而毫不粘土1,6。土壤动物在行走和“工作”两部分都具有明显的脱附减阻功能，而且其整个体表或全身都有脱附减阻的能力。研究表明，土壤动物的这一特殊功能，是多个因素共同作用的结果，包括生物的形态、结构、构成、柔性、电渗、润滑及其协同、耦合、复合等，这些因素及其相互协同作用，形成了生物体自身具有的脱附减阻功能特性1,9。探索土壤动物这种优异的减粘脱土功能，对于地面机械的减粘脱土具有重要的实际意义和广阔的应用前景。蚯蚓是一种典型的土壤动物，在黏湿的土壤环境中能活动自如而

5、毫不粘土，其优异的减粘脱土功能是其体表结构、体表电渗、体表润滑、体表柔性以及其特有的运动方式等多因素耦合作用的结果6,10。本文主要介绍蚯蚓的体表电渗及其应用前景。1 蚯蚓及其脱附1.1 蚯蚓的概述11-13蚯蚓是一种典型的土壤动物，属于环节动物门寡毛纲后孔寡毛目陆生动物。蚯蚓生活在土壤中，世界上大多数生态系统都有蚯蚓的存在，但海洋是蚯蚓的天然屏障，沙漠和终年冰雪区也非常少见。蚯蚓是昼伏夜出型动物，以畜禽粪便和有机废物垃圾为食，连同泥土一同吞入。蚯蚓一般体长约60120mm，体重约0.74g。蚯蚓身体呈圆筒形，褐色稍淡，约由100多个体节组成。前段稍尖，后端稍圆，在前端有一个分节不明显的环带。

6、腹面颜色较浅，大多数体节中间有刚毛，在蚯蚓爬行时起固定支撑作用。在11节体节后，各节背部背线处有背孔，有利于呼吸，保持身体湿润。蚯蚓生活在潮湿、疏松和肥沃的土壤中，依据蚯蚓的习性及其在生态系统中的功能，蚯蚓一般被分为3种生态类群，即表栖类、内栖类和深栖类，不同生态类群的食性和习性迥异。表栖类主要取食土表凋落物，少量或不取食土壤，一般没有洞穴，遇到干扰时会快速运动离开；内栖类取食矿质层特别是多有机物土壤，在1015cm土层有连续而广泛但非永久的水平洞穴，其行动迟缓；深栖类在土表分解凋落物或将凋落物拖入洞穴，有时取食土壤，一般具有深入土壤3m，大而永久性的垂直洞穴，遇到干扰时会快速缩回洞穴。蚯蚓是

7、通过肌肉收缩（环肌和纵肌交替舒张和收缩）向前移动的，其运动时，一些体节的纵肌层收缩，环肌层舒张，则此段体节变粗变短，表现为收缩态，着生于体壁上的刚毛伸出，插入周围土壤；此时其前一段体节的环肌层收缩，纵肌层舒张，此段体节变细变长，表现为舒张态，刚毛缩回，与周围土壤脱离接触，如此，由后一段体节的刚毛支撑，即推动身体向前运动6。1.2 蚯蚓的脱附特征4,6,7,9,10蚯蚓是一种典型的土壤动物，其能够在黏湿土壤中活动自如而毫不粘土，这主要是与其体表的一些特征（如体表结构、体表柔性、体表润滑以及体表电渗）及其特有的运动方式相关的。 体表结构蚯蚓体呈圆柱状，细长，各体节相似，节与节之间为节间沟。头部不明

8、显，由围口节和可伸缩蠕动的口前叶组成，围口节为第1体节，自第2体节始环生着刚毛，此为蚯蚓的运动器官，在运动和“工作”中起支持作用 体表柔性任露泉等对蚯蚓体表柔性及其防粘特性进行了分析，发现蚯蚓具有有利于土壤脱附的柔性非光滑表面，在地面爬行时为二维柔性非光滑表面，而在土壤中掘穴时就转化为三维柔性非光滑体。这种特殊表面能产生柔性变形和非光滑效应，具有明显的防粘特性。 体表润滑润滑是生物减小摩擦阻力的有效方式，许多土壤动物体表会分泌具有润滑功能的体表液。蚯蚓是典型的具有体表分泌液的土壤动物，当蚯蚓在土壤中运动或受到刺激时，便从体腔内分泌出液体物质。蚯蚓体表液是含有粘蛋白的水的稀溶液，体表液成为界面滑

9、动的剪切层，在蚯蚓与土壤滑动接触过程中具有体表润滑作用。 体表电渗蚯蚓在运动过程中，体表部分受到土壤作用产生局部变形，引发体表产生动作电位，相对于未运动体表部位呈负电位，正极和负极在同一表面。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合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。孙久荣、任露泉等对蚯蚓体表不同部位电位进行了测定。结果表明，静息时体表电位为零；运动中头部、体中部和尾部的单环间体表电位分别为21±11、11±6.6和11±4.0毫伏。所以，蚯

10、蚓体表电位的幅度、时程、波形和频率与蚯蚓的运动状态有着密切的关系。 运动方式蚯蚓是通过肌肉收缩来运动的，观察蚯蚓的运动发现，蚯蚓在土壤中打洞前行时，其前端的口前叶寻找一个合适的缝隙伸入其中，然后膨胀起来，像楔子一样插入土中，其后部体节伸出刚毛，固定后端，而后再收缩前端的环肌产生向前的推力，使前部体节向前推进。环节的收缩沿着体节一节一节地向后传输，当环肌收缩后，前部的纵肌收缩，使蚯蚓身体后端向前拉，环肌与纵肌协调地收缩使蚯蚓向前运动2 电渗脱附减阻松散黏湿物料对工作部件表面的粘附是一种普遍存在的现象，而土壤对工作机械的触土部件的粘附最为严重和最具代表性。为了减少土壤粘附以降低土壤阻力，国内外的学

11、者从不同角度进行了理论和试验研究，开发了很多减粘降阻的实用方法和技术1。理论研究表明，土壤与固体材料之间的水膜对土壤的粘附起着决定性的作用，这层水膜的厚度影响着土壤的粘附力，水膜越厚，土壤的粘附力越小。如果采用某种方法加大土壤和固体材料之间水膜的厚度，就能降低土壤对固体材料的粘附力，当粘附力小于土壤内聚力时，就达到脱附减阻的效果14。电渗技术具有这种特性，电渗是指在电场的影响下，带电荷的液体对携带相反电荷的固定介质进行相对运动的现象。电渗现象与土壤胶体的双电层结构有密切关系，列依斯实验证明土壤粘粒是带负电荷的，而土壤中的水分以水合阳离子的形式存在，带有正电荷，所以电渗技术可以利用电场力的作用使

12、土壤中的水合阳离子向电场负极方向移动，从而使界面水膜厚度增加，起到减粘脱附的作用。例如，在桩基的施工过程中采用电渗方法，可以降低沉桩阻力，提高沉桩速度；将电渗技术应用在耕作机械上，可以减少粘附，降低犁耕阻力。现有的常规电渗技术在应用时，正极与负极是分离布置的，就是将工作机械的工作部件的表面作为负极，另设一部件作为正极，这种方式成为分离式电渗。由于这种电渗的正负极是分离布置的，两者相距较远，电场强度比较弱，要取得较好的电渗效果就需要比较大的电渗电压，约为100300V，所以这种电渗方式电能消耗大，安全性较差。为了解决这个问题，吉林大学的任露泉教授等研究了蚯蚓的生物电系统，测量各个不同部位的电位，

13、基于生物表面电渗现象，提出了整体表面低压仿生电渗原理，将正负极布置于同一表面，与触土面形成一体，电渗电压将至1224V14。3 蚯蚓的生物电渗自然界中生物体表组织经过亿万年的进化和优化，具有非常独特的结构和功能，这些独特的结构和功能的仿生随着科学技术的发展被越来越多的领域所重视和应用。比如受到响尾蛇的启发研制的红外线探测器，受到海豚本能的启示研制的声纳1。土壤动物生活在土壤中，能够活动自如而毫不粘土，现在以蚯蚓为例来说明土壤动物体表生物电的电渗减粘脱土机理。蚯蚓生活在粘性潮湿的土壤中，大多活动在地下25cm之内的表层土中，这层对工作机械的触土部件的粘附最为严重，而蚯蚓却能不发生明显的粘附作用。

14、通过对蚯蚓的生物电测试，发现蚯蚓在运动过程中，体表各部位存在着毫伏级的电位差，且体表电位均呈负电性，这就是土壤动物体表具有的与传统分离式电渗完全不同的生物表面整体电渗现象14。蚯蚓在土壤中运动，靠的是前端各环节的纵肌伸长和环肌收缩向前移动的，各环节肌体表面受到周围土壤不同程度的接触、挤压和摩擦等各种刺激，在体表相应部位产生不同大小的动作电位，相对那些固定的并未受到刺激的各环节肌体的体表电位呈负电性。蚯蚓体表各环肌体表面存在的电位差，必将在周围土壤内形成生物电场。生物电场的存在必然对土壤起到电渗作用，迫使肌体周围的土壤内的水合阳离子向先运动的各环肌体表面移动，从而在肌体表面形成一层有利于减粘脱附

15、的水膜6。蚯蚓体表的电渗作用方式与以往减粘脱附降阻的电渗技术不同。其体表电渗的特点是，正负极在肌体表面同时存在，虽然其电位幅值很小，只有毫伏级，但是却有明显的效果。这种正负极在同一表面的电渗称为表面电渗，这正是蚯蚓的体表电渗优于以往的常规电渗方面，进行蚯蚓的体表电渗仿生可以大大提高减粘脱附的效果，提高安全性（工作电压降低为1224V）。4 蚯蚓的体表电渗仿生及应用蚯蚓作为土壤动物的典型代表，其身体表面的减粘脱附降阻的功能，使得其在黏湿的土壤中能够行动自如，身体表面却毫不粘土。这对于解决普通工作机械的触土部件的粘土严重的现象提供了一种途径，即对蚯蚓的减粘脱附功能的结构或机理进行仿生研究和应用，研

16、制具有减粘降阻功能的机械。蚯蚓的体表电渗系统在减粘脱附降阻中起着重要的作用，为了研究其原理及应用，先后有多位学者对此进行了研究。孙久荣15等对蚯蚓体表电位采用多种方法进行了测定，分析了蚯蚓体表电位与运动的关系，认为蚯蚓体表电位的幅度、时程、波形和频率与蚯蚓的运动状态有着密切的关系，测出了其体表电位值。任露泉、丛茜等提出了一种解决粘附问题的有效方法非光滑表面电渗技术（仿生表面电渗脱附方法），这种方法和传统电渗技术相比，由于是仿土壤动物（蚯蚓）体表的电渗特征，把正负电极布置在同一工作部件表面上，大大缩短了电极的距离，也大大的降低电渗电压（1224V）的使用。并将表面电渗技术应用在铲斗上，有效地减少

17、了土壤的粘附，极大地提高了工作效率。研究表明，对于不同的黏湿物料，应用不同类型的仿生电渗，会产生不同的电渗效果。因此，在仿生电渗系统设计时，要充分考虑电极的形状、尺寸和分布等。在具体设计时，还要注意地面机械触土部件的作用方式和作业状态。仿生电渗在触土面相对运动速度较小或准静态的界面粘附系统，具有明显优势和大的应用潜力14。5 结束语蚯蚓普遍地存在于地球上除了冰川、沙漠、南北极等极端环境和海洋之外的各种生态系统环境中，反映出其具有惊人的生态适应能力。由于其对生态具有良好的改良作用，所以被广泛誉为“生态系统工程师”。蚯蚓在生态与农业中的重要作用受到了国内外专家学者的重视并开展了广泛的研究，主要集中

18、于医药开发，垃圾处理，土壤改良，污水净化，环境指示，生态恢复，食品加工等方面。蚯蚓是一种典型的土壤动物，在黏湿的土壤中能活动自如，毫不粘土。蚯蚓的减粘脱土特性随着仿生学的兴起，已越来越受重视，国内外学者开始竞相研究，提出蚯蚓的减粘脱土功能是与其体表非光滑结构、生物电渗系统、体表润滑、体表柔性及复杂的伸缩运动密切相关的。蚯蚓的这些特性，特别作为代表的体表电渗的仿生越来越受到专家学者重视，他们研究蚯蚓体表的电渗系统，以此来进行研究，改善常规电渗中存在不足，并已取得了一定的效果，大大降低了土壤对工作机械触土部件的粘附，显著地提高了工作效率。相信随着研究工作的深入，蚯蚓的生物电渗仿生能取得更大的进展。参考文献1 任露泉.地面机械脱附减阻仿生研究进展J.中国科学,2008,38(9):1353.2 任露泉.地面机械脱附减阻仿生创新之路C. 中国农业机械学会2008年学术年会论文集,2008:1.3 任露泉,佟金,李建桥等.松软地面机械仿生理论与技术J.农业机械学报,2000,31(1):5-9.4 任露泉,陈德兴,陈秉聪.土壤粘附研究概述J.农业工程学报.1990.6(1):1-7.5 Ren L Q,Wang Y E,Li J Q,et a