神农蜣郎前胸背板表面形态分形及湿润性

神农蜣郎前胸背板面形态分形及湿润性 2002年7月农业机械学报第33卷第4期 神农蜣螂前胸背板表面形态分形及润湿性 佟金孙霁宇张书军任露泉 * 【摘要1采用3D—SRAT一1型轮廓仪对神农蜣螂(CatharsiusmolossusLinnaeus)前胸背板 表面形态进行了 定量测量,在JC2000A型表面张力/接触角测量仪上测量了水与前胸背板表面的接触角,并 基于分形理论对其表面 轮廓进行了分析.研究表明:神农蜣螂前胸背板表面呈现分形特征,由结构函数法和变分法 估算的沿前胸背板表面 纵向轮廓线的分形维数分别为1.877和1.868;水在神农蜣螂前胸背板表面上的表观接触角 为91.,106.5.,其平 均值为97.2.,表现了很强的疏水性. 叙词:蜣螂分形润湿性 中图分类号:Q811.1;Q969.516.1文献标识码:A FractalandWettabilityofPronotumSurfaceMorphologyof CatharsiusmolossusLinnaeus TongJinSunJiyuRen (JilinUniversity) LuquanZhangShujun (arwickUniversity) Abstract Thesurfaceprofilesofthepronotumofadungbeetle,CatharsiusmolossusLinnaeus,were measuredusinga3D—SRAT—ltypeofstylusprofiler.Thecontactangleofwateronthe pronotumsurfacewasdeterminedwithaninterfacetension/wetting—anglemeasuringinstrument (JC2OOOA).ThesurfacemorphologycharacterofthepronotumofCatharsiusmolossusLinnaeus wasanalyzedbasedonfractalgeometry.Itshowsthatthepronotumsurfacedisplaysafractal feature.Theestimatedfractaldimensionofthepronotumsurfaceprofilesis1.877and1.868 basedonthestructurefunctionmethodandthevariationmethodrespectively.Theapparent contactanglesofwateronthepronotumsurfaceofCatharsiusmolossusLinnaeusare91.to106.5. andtheaveragevalueis97.2.thatrepresentsastronghydrophobiccharacter. KeysDungbeetle,Fractal,Wettability 引言 土壤动物经过长期进化形成了适应土壤环境的 生物系统和生存本领.土壤由于其三相组态而具有 的黑暗,潮湿以及抗剪强度高等特点,使得土壤动物 为了生存繁衍而对土壤产生了或是被动的适应或是 主动的适应.被动适应如附肢短化,腿消失,身体小 型化,细长化,扁平化,眼消失,翼消失,白色化;主动 适应如挖掘肢发达[】].界面水膜毛细引力和粘滞阻 力的作用使土壤具有粘附在外物表面的倾向[2].土 壤动物身体表面呈现的优良不粘土性能是其对土壤 环境主动适应的结果.基于土壤动物不粘土功能及 其机理发展的农业机械触土部件仿生学研究取得了 重要进展[3].蜣螂成虫在挖洞,推滚粪球等作业过 程中其身体表面不粘附粪或土,特别是神农蜣螂对 人畜粪便具有极强趋性[6].关于土壤动物的仿 收稿日期:2001—11—28 *国家杰出青年科学基金资助项目(项目编号:50025516)和教育部科学技术研究重点项目 (项目编号:00039) 佟金吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室教授博士生导师,130025长春市 孙霁宇吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室硕士生 张书军英国Warwick大学Warwick制造集团研究员 f_E露泉吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室教授博士生导师 第4期佟金等:神农蜣螂前胸背板表面形态分形及润湿性 生研究已由定性向定量发展.作者对神农蜣螂前胸 背板表面形态进行了定量测量和分形分析,并定量 考察了水在神农蜣螂前胸背板表面上的润湿性. 1实验与方法 在吉林省桦甸市采集神农蜣螂进行实地观察. 图1是神农蜣螂照片,形态分析和润湿性测量使用 图1a所示的雌性蜣螂. 胸节胸节 ?(a)(b) 图l实验用神农蜣螂照片 (a)雌性蜣螂(b)雄性蜣螂 将采集的神农蜣螂先用蒸馏水冲洗,然后放入 浓度为70%的乙醇溶液中12h,制成样品.由于难 以实现整体测量,所以采用分解测量的方法.在 3D—SRAT一1型触针式轮廓仪上测量蜣螂前胸背 板表面,其金刚石触针半径为2/am,仪器允许取样 长度范围为0.08,8mm.由于前胸背板表面为类 球面,所以先用体视显微镜在不同角度测出其平均 曲率半径,为7mm,再用橡皮泥加以固定,制成蜣 螂前胸背板测量试样,选择前胸背板中央部位测量 表面轮廓数据.测量过程中,x方向(即身体的纵 向)上取样长度0.25mm,评定长度2.5mm,采样 点数2000个,则其测量间距为1.25m.每测量一 条x方向轮廓之后,沿y方向(即身体的横向)移动 122.2m,这是前胸背板表面类球面沿z—y平面 (z为垂直于前胸背板表面的方向)转动1.对应的弧 长,也为y方向上的测量间距.共测量了31条不同 y方向位置上沿x方向的轮廓. 在JC2000A界面张力/接触角测量仪上采用座 滴法完成接触角测量,仪器测量角度范围0,180.. 图2为神农蜣螂前胸背板表面接触角测量位置示意 图 图2接触角测量位置示意图 箭头所指为前胸背板从前向后的方向 2结果与讨论 2.1神农蜣螂前胸背板表面形态及分形 图3为测得的神农蜣螂前胸背板表面形貌图. 由于蜣螂前胸背板表面为曲面,所以先用最小二乘 法求出曲面中线基准面,对数据进行预处理.分别采 用结构函数法和变分法]对所测量的前胸背板表 面轮廓数据进行分析.结构函数法是基于关系式 S(r).Cr.估算轮廓的分形维数D,其中S(r)是表 面轮廓线的平均结构函数,r是测度.变分法是基于 表面轮廓函数f(x)的,变分(,,)的思想建立的 由离散化数据估算轮廓分形维数D的方法. 图3神农蜣螂前胸背板表面形貌图 基于结构函数法,前胸背板x方向轮廓线在所 测量的尺度区间内的logs(r)与logr具有较好的线 性关系,图4是其中第5条轮廓线的LogS(r)一logr 关系曲线,其他轮廓线均具有这样的关系.沿x方 向的31条轮廓线的分形维数估算结果非常接近, 其平均分形维数为1.877,分形区间为[2.6878, 148.44].基于变分法估算的前胸背板x方向轮廓 线的分形维数为1.868,其分形区间为[20, 1096.3].分形维数是表征表面不规则程度的参数, D值越大越不规则.表面测量及分形维数估算结果 表明神农蜣螂前胸背板表面在所考察的尺度范围内 具有非常粗糙的结构. 一\ . {‘ D=1.8919 2.2神农蜣螂前胸背板表面的润湿性 图5所示为水滴在神农蜣螂前胸背板表面上的 接触状态.表1是对应于图2所示部位的水在神农 蜣螂前胸背板表面上表观接触角的测量结果,其值 在91o,106.5o之间,平均值为97.2.,表现了很强的 疏水性.根据接触角滞后理论,91.接近于后退接触 角,而106.5.接近于前进接触角. 4系 关 图 76农业机械学报2002年 96.1 96.1 91.5 97.5 1O6.5 97.2 96.2 104.9 99.1 100.1 98.8 1O1.O 如将前胸背板表面轮 廓形态简化为波纹结构, 则表面粗糙性对润湿性的 影响可由Wenzel方程 COS一rcos0o来描述,其 中为前胸背板表面的 表观接触角,为前胸背 板表面的固有接触角(即 水在理想光滑和均匀表面 图5水在神农蜣螂前胸 背板表面上的接触状态 上的接触角),r是Wenzel粗糙性因子(实际表面积 与表观表面积之比).由于实际测量得到的前胸背板 表面的表观接触角大于90.,因此其固有接触角亦 必然大于90..若前胸背板表面的分形特征可以追 溯到分子水平,则根据Hazlett[93对分子分形表面上 流体的表观接触角的分析解释如下:由于空气中的 氧气和氮气的分子横断面积均大于水分子的横断面 积,且由于土壤动物体表的低表面能性质,使得土壤 动物与空气的界面张力小于它与水的界面张力,随 着表面分形维数的增大,水在其上的表观接触角亦 增大,使得水在蜣螂前胸背板表面的粗糙性在分子 水平上的分形结构也明显增强其疏水性. 3结论 (1)神农蜣螂前胸背板表面轮廓呈现分形特 征.对于沿蜣螂身体纵向的表面轮廓,基于结构函数 法估算的平均分形维数为1.877,基于变分法估算 的平均分形维数为1.868. (2)水在神农蜣螂前胸背板表面上的表观接触 角为91.,106.5.,其平均值为97.2.,表现了很强的 疏水性. 参考文献 忻介六.土壤动物知识.北京:科学出版社,1986. TongJin,RenLuquan,ChenBingcong,eta1.Characte”sticsofadhesionbetweensoilandsolidsurfaces. Journalof Terramechanics,1994,321(2):93,1O5 任露泉,佟金,李建桥等.松软地面机械仿生理论与技术.农业机械学报,2000,31(1):5,9 RenLuquan,TongJin,LiJianqiao,eta1.Soiladhesionandbiomimeticsofsoil—engagingcomponentsinanti— adhesionagainstsoil:areview.JournalofAgriculturalEngineeringResearch,2001,79(3):239,263 佟金,马云海,任露泉.天然生物材料及其摩擦学.摩擦学学报,2001,21(4):315~320 罗益镇,崔景岳.土壤昆虫学.北京:中国农业出版社,1995. BhushanB,MajumdarA.Elastic—plasticcontactmodelforbifractalsurfaces.Wear,1992,153:53,64 DubucB,QuiniouJF,Roques—CarmesC,eta1.Evaluatingthefractaldimensionofprofiles.PhysicalRe viewA. 1989,39(3):15OO,1512 HazlettRD.Fractalapplications:wettabilityandcontactangle.JournalofColloidandInterfaceScience, 1990,137: 527,533 123456789