近日，機(jī)械與電子工程學(xué)院宋月鵬教授團(tuán)隊(duì)在《Agriculture》上發(fā)表了題為“Study on the Bionic Design and Cutting Performance of Alfalfa Cutters Based on the Maxillary Mouthparts of Longicorn Beetles”的最新研究成果。宋月鵬教授、任龍龍博士為文章的通訊作者，機(jī)電學(xué)院碩士研究生馬靜怡為第一作者，我校為第一通訊單位。

苜蓿是一種優(yōu)質(zhì)的多年生飼草豆科植物，在全球范圍內(nèi)都有廣泛的種植。苜蓿被譽(yù)為“牧草之王”，它不僅是動(dòng)物飼料中的可消化纖維及蛋白質(zhì)來源，還能作為輪作作物為土壤提供氮源，從而支持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究表明，苜蓿再生能力及刈割周期與莖稈切割質(zhì)量有極大關(guān)系，但是，我國目前使用的刈割刃具使用壽命短，對莖稈的切割阻力大，刃口磨損快而鈍化，降低了收割效率和質(zhì)量，同時(shí)莖稈切口粗糙，損傷嚴(yán)重，作物極易發(fā)生枯萎及病蟲害，影響苜蓿的再生能力及產(chǎn)量，目前我國每年苜蓿進(jìn)口量已達(dá)40%以上。

基于上述問題，宋月鵬教授團(tuán)隊(duì)采用仿生學(xué)原理，通過研究天牛下顎口器的結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計(jì)了四種適用于苜蓿莖稈的切割刃具。研究團(tuán)隊(duì)利用有限元仿真技術(shù)及自制的莖稈切割力測控試驗(yàn)臺(tái)，對仿生割刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與切割性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的切割工具相比，相同作業(yè)條件下，四種仿生割刀的最大變形量降低了31.4%~64.1%；對苜蓿莖稈的最大切割阻力降低了28.6%~52.4%，莖稈切口損傷大大降低；臺(tái)架正交試驗(yàn)表明，割刀種類、滑切角對莖稈的最大切割阻力有極顯著影響（P<0.01），并獲得了較優(yōu)參數(shù)組合。

圖1 本研究仿生原理及實(shí)驗(yàn)?zāi)M情況

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)割刀進(jìn)行苜蓿刈割時(shí)，刃口極易鈍化，莖稈損傷嚴(yán)重，延緩了切口的愈合進(jìn)程，導(dǎo)致苜蓿再生周期延長，產(chǎn)量及品質(zhì)下降。而仿生割刀能夠形成自磨銳特性，莖稈切口光滑平整，愈合速度快，再生周期大為縮短，試驗(yàn)結(jié)果表明，仿生割刀在提高苜蓿再生能力和改善刈割質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢。

宋月鵬教授指出，這項(xiàng)研究為作物收獲機(jī)械關(guān)鍵零部件提供了新的設(shè)計(jì)方向。接下來，團(tuán)隊(duì)將在本研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，探索更多仿生原理在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用場景，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向高效、可靠、經(jīng)濟(jì)作業(yè)方向發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

原文鏈接：https://doi.org/10.3390/agriculture14081302

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