仙姑弹琴蛙的体表特征与粘附特性分析

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义
地面机械，无论是直接与土壤作用的农业机械和挖掘机械，还是在地面行走的军事车辆和工程机械，其触土部件的粘附问题一直是国内外许多学者关注及研究的重要技术问题。尤其是土壤、滩涂、湿地、沼泽、雪地、稀泥等对车轮、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，造成大量能量浪费，严重时甚至使机械无法正常作业[1]。如图1.1所示为镇压滚作业时粘附土壤情况。大量的生产实践表明，土壤粘附问题造成了大量的能源浪费，严重制约着农业及工程领域的发展。在土方工程领域，土壤对挖掘机挖斗、装载机铲斗、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%[2]，降低生产率 30%[3, 4]；在农业工程领域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上[5, 6]，耕整机械能耗增加 30%～50%，使播种机械减小出苗率 5%～10%[2,7]；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%[8, 9]。粘附问题已经是一个亟待解决的问题，减粘减阻问题已成为农业机械化工程理论与技术研究的重要内容。
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1.2 固体与土壤粘附系统研究
对于土壤粘附问题，人们很早就进行了各种有益的尝试，两千多年前的山西阳城疙瘩犁，是在犁面上铸有凸起疙瘩的犁壁，这种犁的脱土性能特别好，而且在粘性土壤中不粘土。但是对于土壤粘附的理论研究还是始于20世纪20年代。随着科学技术的进步和近一个世纪的发展，，人们对于土壤粘附的研究通过不断的积累已有了较为深刻的认识，并取得了一定的进展。针对土壤粘附的研究主要集中在粘附机理、粘附规律和减粘脱土方法与技术三个方面，本工作主要从仿生学的角度出发研究粘附机理及规律，从而发现减粘脱附的方法及技术。土壤粘附系统一般有触土部件、界面、土体三部分组成，是一个多相系统。土壤与触土部件的粘附大多情况属于动态粘附，土壤粘附不仅与构成粘附系统的土壤、固体材料表面性质和界面状态有关，也与系统的力学环境有关。土壤-固体粘附系统是个动态系统。粘附系统界面状态和作用环境是随时间变化的。因此，可以说，在任一瞬间，土壤的粘附特性是粘附系统各因素综合作用的力学效应，且这种力学效应是随时间变化的函数[30]。土壤粘附触土部件能力的大小，通常用粘附力来度量。土壤粘附具有方向性，一般土壤粘附力分为法向粘附力、切向粘附力和剥离粘附力[31,32]。
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第二章 仙姑弹琴蛙体表形貌分析

仙姑弹琴蛙属于脊椎动物门两栖纲无尾目动物，分布在我国云南、四川等地区，多生长在山区静水的池塘旁边，穴居在泥土中。仙姑弹琴蛙的躯体比较肥硕，头部扁平，头部成三角形且头长略大于头宽。雌雄比较容易区分，雄蛙口角后上方各有一个红褐色外声囊；腹部体表非常光滑，背部和腿部有黑褐色的斑纹，背部有少许扁平疣；一般后肢长于前肢，后肢比较发达，后肢用来跳跃和挖洞，后肢有股、胫、跗、跖、趾五部分组成，趾与趾之间有蹼；前肢由上臂、前臂、腕、掌、指五部分组成，指间无蹼，前肢一般用于交配时抱对。仙姑弹琴蛙成蛙的平均长度为雄蛙45mm、雌蛙47mm，重量在8.5g～15.7g，一般生长在海拔900m～1600m的山区的池塘里。研究发现，大多数的雄性仙姑弹琴蛙为了吸引雌性都会自己筑泥窝（如图1.2），与雌蛙在泥窝中交配产卵，卵在泥窝中孵化成蝌蚪。为了使蝌蚪很好的成长，雄性仙姑弹琴蛙一般将泥窝建在水池旁边，泥窝的洞口略高于水池的水面，洞底又低于水池的水面，这样既保证洞内在蝌蚪发育期间长期有水，又避免水量过大淹没泥窝。仙姑弹琴蛙的泥窝形状建造的非常特别，洞口较小，可以用来防御天敌；中间部分较大，可以保证在交配过程有足够的空间，又能满足蝌蚪的生长需求[29]。仙姑弹琴蛙在稀泥中打洞的能力是生物长期进化的结果。通过观察发现，仙姑弹琴蛙能够在泥洞中活动自如，并且体表粘附极少，这一不粘泥的特征可能与仙姑弹琴蛙的体表几何结构和体表液有关。试验中的仙姑弹琴蛙成体采集于四川省峨眉山海拔1300m～1500m的七里坪的池塘附近。

2.1 仙姑弹琴蛙表面的微观特征
土壤洞穴动物体表普遍具有几何结构特征。利用这一特征进行触土部件的减粘减阻的仿生研究表明[62,63]，土壤洞穴动物体表的结构单元形状、尺寸及分布对土壤减粘具有显著的影响。因此，为了得到更多的体表结构信息，对生物的体表形貌研究是必要的。本文工作主要利用体视显微镜和扫描电子显微镜分析仙姑弹琴蛙体表的结构特征，旨在揭示仙姑弹琴蛙体表几何结构对土壤粘附的影响。
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2.2 仙姑弹琴蛙体表的润湿性
润湿是指液体与固体接触过程中，液体沿固体表面扩展的现象。通常是指液体将气体挤压出固体表面，有液-固界面替代气-固界面的过程，属于一种界面流体互换的现象。液体与固体润湿的程度一般用接触角来度量，接触角是指气、液、固三相交界处，分别作气-液和液-固界面的切线，两条切线之间的夹角即为接触角，通常用θ表示(如图2.7所示)。0°＜θ＜90°时，液体在固体表面上有铺展趋势，此时液体对固体表面的附着力大于其内聚力，称为液体润湿固体；θ=0°，称为完全润湿；90°＜θ＜180°时，液体在固体表面上有收缩成球形趋势，此时液体对固体表面的附着力小于其内聚力，称为液体不润湿固体；θ=180°时，称为完全不润湿。
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第三章 仙姑弹琴蛙的三维扫描及处理..... 19
3.1 仙姑弹琴蛙的逆向工程研究 ....... 19
3.2 仙姑弹琴蛙点云的采集 ..... 20
3.3 仙姑弹琴蛙点云处理 ....... 23
3.4 仙姑弹琴蛙三维模型重构 ......... 28
3.5 仙姑弹琴蛙特征曲线提取及分析 ......... 31
3.6 本章小结 ..... 39
第四章 仙姑弹琴蛙的压力特性分析....... 41
4.1 实验设备 ..... 41
4.2 试验条件的确定 ..... 42
4.3 实验结果及分析 ..... 43
4.4 本章小结 ..... 47
第五章 仙姑弹琴蛙体表与土壤的粘附..... 49
5.1 仙姑弹琴蛙粘附特性实验准备 ..... 49
5.2 仙姑弹琴蛙粘附特性试验方案设计 ....... 52
5.3 本章小结 ..... 62

第五章 仙姑弹琴蛙体表与土壤的粘附

5.1 仙姑弹琴蛙粘附特性实验准备
一般来说，土壤洞穴动物经过自然选择进化，体表与土壤的粘附力较金属的小。仙姑弹琴蛙是一种典型的稀泥环境动物，本工作选择以仙姑弹琴蛙为研究对象，由于仙姑弹琴蛙的体积较小，体表产生的粘附力很小，对其测量设备的精度要求较高。目前国内外还没有标准的粘附力测试系统，而且一些单位设计的粘附力测试系统一般只能测量较大的粘附力，无法对弹琴蛙体表这样的微小粘附力进行测量。根据现有的实验条件，本工作选择高泰检测仪器有限公司生产的QT-1186电子拉压力测试系统。但是原有试验机的传感器量程较大，精度较低，不能满足实验要求，因此在原有的测试系统的基础上，将原来量程5kg的‘S’型拉压传感器换为量程为1kg的‘S’型拉压传感器，型号LDCZL-SD，测量精度达到0.02g，满足实验精度要求。试验除采用QT-1186电子拉压力测试系统等主要设备之外，还需要盛放土壤的土盒和用来固定土盒的卡具。此外，由于需要做对比实验，需要加工相应的对比试样，对比试样选用铝试样。

结论

(1) 利用体视显微镜观察仙姑弹琴蛙的体表结构特征发现，仙姑弹琴蛙体表的不同部位具有尺寸和形状不同的凸包和凹陷结构，这些细、微观结构在一定程度上可以增加仙姑弹琴蛙的体表表面积而提高体表的呼吸能力，此外，一些腺体分布在这些凹陷之中，这些腺体在仙姑弹琴蛙受到周围环境刺激时，会分泌体表液，这些体表液首先存储在腺体镶嵌的凹陷中，可以减少体表表面的水分蒸发速度，使体表始终处于比较湿润的状态，进而降低表皮对稀泥的粘附。此外，这些腺体可以分泌一些色素，仙姑弹琴蛙通过分泌的色素调节体表颜色变化，形成保护色，进而适应周围环境的颜色。色素可以吸收太阳辐射的某些光线，保证其生命活动的健康进行。仙姑弹琴蛙的前爪有四趾，指间无蹼。仙姑弹琴蛙雄蛙在生殖季节期间，雄蛙第一趾基部内侧有一膨大突起，称为婚瘤，一般用于配对时抱对。
(2) 利用蔡司金相显微镜和扫描电子显微镜进一步观察仙姑弹琴蛙不同部位的体表微观形貌，发现不同部位的微观形貌不同。仙姑弹琴蛙头部体表密集分布着凸包，这些凸包大多数成圆形，其半径为20μm—40μm。凸包与凸包之间的间隔较大，间隔距离为20μm—50μm。仙姑弹琴蛙背部体表呈现一些不规则的凸起，凸起与凸起之间形成了与凸起尺寸大小相当的凹陷，这些凸起没有固定的形状，这些凸起的尺寸长度为40μm—70μm，宽度为20μm—40μm，与头部形态，背部凸起排列的凸包较疏松。仙姑弹琴蛙腹部体表的微观单元一般成凸起的多边形结构，多边形结构分布明显，多边形尺寸为40μm—60μm之间，在某些多边形的中间有凹陷，在凹陷内镶嵌着直径为20μm—40μm的腺体结构。仙姑弹琴蛙腿部体表分布着圆形凸包，凸包大小比较均匀，半径尺寸在25μm左右，凸包与凸包之间的间隔较大，间隔距离为40μm—80μm。
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参考文献(略)