源于自然，融于生活，吉林大學仿生科技扎根機械創新

源于自然，融于生活，吉林大學仿生科技扎根機械創新

背景介紹

　　吉林大學任露泉團隊突破傳統認識，創建了非光滑仿生、耦合仿生理論與技術體系，發明了機械脫附、減阻、耐磨和抗疲勞等仿生新技術，解決了汽車制造、農業機械、工程機械等領域的技術瓶頸，在機械部件脫附、延壽、增效和節能方面等得到重大應用，為我國傳統制造業升級做出了重要貢獻。

　　仿生學是生命科學與機械、材料和信息等工程技術學科相結合的交叉學科，具有鮮明的創新性和應用性，其任務是研究生物系統的優異能力及其進化原理，將其應用到設計和制造新的技術設備之中。

　　生物在“優勝劣汰、物競天擇”的過程中，經過億萬年漫長的進化，形成了與自身生存環境相適應的體表結構和特殊功能。人類通過不斷地模仿自然，提高生產能力，仿生的領域和技術也不斷發展。在科學技術快速發展的今天，仿生學成為生命科學、物質科學、認知科學、納米技術、信息技術、能源技術以及制造技術等技術方案選擇的寶庫，極大地推動了未來科學的發展。吉林大學任露泉團隊長期從事仿生科學與工程研究，取得了一系列重大成果。

　　創新理論先河

　　在仿生科學方面，任露泉團隊歷經近20年，通過對6門10綱1萬多只土壤動物的觀測、分析和研究，提出與傳統理念相悖的土壤動物非光滑脫附減阻、土壤動物柔性動態脫附減阻以及通過生物電的測試分析提出與傳統分離電滲完全不同的生物表面整體電滲等新概念；揭示了土壤動物幾何形體、爪趾構形、體表結構和分泌潤滑的減粘機制。

　　研究團隊對土壤動物體表研究發現，土壤動物體表普遍存在幾何非光滑特征，即一定幾何形狀的結構單元隨機地或規律地分布于體表某些部位。同一土壤動物體表不同部位呈現的幾何非光滑形態各異，這與土壤動物對環境適應的生物進化過程，特別是與不同部位的觸土方式有關。土壤動物非光滑體表與土壤相互作用可產生微振效應、水膜不連續效應和界面空氣膜效應，不僅使粘附界面產生一定頻率和振幅的微動，減少與土壤的接觸面積和靜接觸時間，還使粘附界面的水膜呈不連續分布，使動物體表與土壤間產生局部空氣膜，從而減小土壤與動物非光滑體表的粘附力和摩擦力。

　　研究團隊對生物柔性的動態分析和理論研究中還發現，許多生物體呈現出一維、二維和三維的多種柔形，使生物體本身的不同部分，可進行非線性大變形，并能在外力作用下恢復原形。生物柔層還會儲流通流，造成土壤對柔性表面無法壓實，降低負壓，有效減少柔性表面的任一接觸單元與土壤之間的連續接觸時間，使粘附界面的粘附力減小；并通過柔性單元的相互揉動、移動、轉動、振動和波動等，使與其粘結的土壤被脫離。生物柔性變形還會吸收一部分能量，使系統中用于粘附與摩擦的能量減少，從而減小柔性體表的滑動阻力。

　　經過進一步的研究和思考，任露泉等人開始對土壤動物生物電展開研究，并發現運動著的體表部分受到土壤作用產生局部變形，引發出體表動作電位，相對于未運動體表部位呈負電位，正極與負極在同一表面。當體表多個部位受到刺激，就產生多處分布的負電位區。由于正負電位區距離短，電位差使靠近體表的水化陽離子向接觸區流動，產生電滲現象，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。

　　基于上述原理，任露泉團隊建立了生物體表形態、構形、結構、生物電、生物潤滑及生物柔性等多因素綜合脫附減阻理論，形成系統的學術體系和交叉研究特色。

　　創新融入生活

　　在仿生工程方面，任露泉帶領團隊人員經過大膽的創新和縝密的研究，將理論應用于地面機械，建立了以形態仿生、柔性仿生、電滲仿生、構形仿生、潤滑仿生和耦合仿生等地面機械脫附減阻仿生理論，發明多項不同于傳統理念的脫附減阻仿生技術，并拓展到非土壤介質多個工程領域，進行自潔、耐磨、抗疲勞和降噪等耦合仿生研究，研制減粘犁壁、防粘鎮壓輥、減摩活塞、耐磨軋輥和鉆頭等多種仿生產品。

　　機械零部件表面發生的摩擦、磨損、疲勞和粘附容易導致其效能下降、壽命縮短、資源浪費和環境污染，特別是在高溫、重載等復雜界面條件下發生上述多種形式的疊加失效，其作用機制更為復雜、破壞后果更為嚴重，這也成為機械工程亟待解決的重大科學與技術問題。然而國內外研究團隊大多重點研究表面單一失效，且主要考慮對零部件整體或表面的材料優選及其工藝優化，而針對上述復雜條件下的疊加失效，罕見多因素綜合研究及其相應的技術開發。

　　任露泉團隊突破對該機械工程問題僅從材料角度考慮的傳統認識，基于生物非光滑特性與耦合規律與多功能機制，提出用表面材料、幾何形態和物理結構等多元耦合仿生原理解決工程技術難題的新理念、新方法、新技術，開展了仿生脫附與仿生耦合多功能表面構建原理與關鍵技術研究，獲得了如下原創性技術發明：

　　（1）揭示生物非光滑、生物柔性和生物電滲脫附減阻機理，建立機械脫附的仿生理論，發明的仿生脫附技術及部件；

　　（2）基于潮間帶貝類等動物體表不同體位多元耦合、多功能并行實現原理，發明了靜態高溫成型界面耐磨、抗疲勞和減粘仿生耦合一體化表面技術；

　　（3）基于沙蜥背部、鴕鳥足部等生物耦合系統功能優化原理，發明了重載高溫摩擦界面增阻、耐磨和抗疲勞仿生耦合一體化表面技術；

　　（4）基于蝶翅、植物葉面非光滑形態、微納結構與低能材料耦合自潔和耐磨原理，發明了靜態高溫多相界面仿生耦合綠色防粘和耐磨一體化表面技術。

　　仿生脫附減阻技術的發明及其實施，明顯提高地面機械作業性能和生產效率，從而提升了地面機械的技術水平和競爭能力。仿生耦合多功能表面技術的發明及其實施，明顯提高了復雜條件下涉及耐磨、增阻、抗疲勞和減粘問題產品與部件的服役壽命和工作效率，減少了失效報廢與資源消耗，促進了綠色、安全、節能、環保，提升了應用產品的高技術含量與國際競爭力，推動了相關領域的科技進步，豐富了工程仿生理論與技術體系的內容，并在學科建設、人才培養、產學研用等方面發揮了重要作用，在國際仿生領域產生重要影響。

　　團隊成果獲國家技術發明二等獎2項，吉林省突出貢獻獎及省部級科技一等獎9項。

　　產品圖集