农业生物力学的研究进展

来源：医用生物力学 【在线投稿】栏目：期刊导读时间：2021-05-08

农业生物力学的研究进展孙一源沈林生(江苏工学院)[摘要]介绍了{986~以来农业生物力学这一边缘学科的现状、教学的基本体系和研究进展举例。。关键词生物力学农业生物力学历史发展与现状。生物力学”是试图了解生命过程的力学，80年代我国的医学生物工程方面的生物力学，在冯元桢教授的推动下，得到长足的进步，取得了一批令人瞩目的成果，发表了一批极有价值的论文与专著。但适用于农业的生物力学论著，则寥若晨星。其实，农业生物力学发轫极早，18世纪，英国StephenHales(1677—1761)便有专著“植物静力学(VegetableStatics)。(1727)问世，该书是牛顿批准出版的。1733年他又发表了“血流静力学(Haemasta(icks)~，论述了血管扩张对血液流动的重要性。后来，这方面的研究不多。直到1974年P．S．Nobel的“生物物理学的植物生理学导论(程炳嵩等译，1984年)”的出版，引起人们对植物流体力学的重视。1983年他改写的。Biophysical plant physiologyandEcology(无中译本)。出版，新增了若干内容，但来涉及与农业密切相关的植物保护与灌溉工程中的生物力学问题。关于“物性学”与以一般力学为基础的“农业力学”则引起更多的人的关注。1918年B．n．roPⅡ9KEH的。农业力学(3eMⅡe厦e刀b`ecxaⅡMexaHz~a)。问世，直至今日，全苏每几年召开的农业机械学会会议的论文集，仍然以此命名。白俄罗斯农机化研究所出版的农机文集亦命名为“农业力学问题。，均是一般力学在农机中的应用，极少涉及生物体的生命现象。1986年匈牙利GySrgy sitkei发表了“农业物料力学(A mezSgazdasg~i any— agok mechanikttja，有英译本，译者为S．Bars)。，共18章，涉及农业物料的物理、力学、光学、热学、电学和流变等性质，还讨论了接触应力、撞击载荷、机械损伤、摩擦、空气及流体动力特性，有限元法、农业物料的压扁与压缩、农业物料的切割与粉碎等性质，等等，均属于苏联“农业力学”派的范畴。美国宾州大学NuriMohsenin教授堪称物性学的最著名的学者，有三本巨著共1782页：“动植物材料的物理性质—结构，物理特征和力学性质”1968年第一版，1970年发行，1980年第三版，全书十章，七百余页(有日译本)，。食品及农业物料的热特性(1980年)。，“食品及农业物料的电磁辐射特性(1982年)。。这三册国内均无中译本，值得翻译。．日本京都大学的“农产物性研究”(一、二、三集，1979，1985，1988年)，较全面地收集了国内外资料。；100农业机械学报M．A．Rao，S．S．N．Rizvi的“食品的工程特性(1986年)”收集了关于食品的流变、热、电、超滤、传热与传质等方面的材料，还有一些其他物性方面的专著。在国内，赵学笃、陈元生和张守勤合编的“农业物料学”(1987年)出版，讨论了农业物料的物理、流变、热、光、电、散粒体和流体力学等特性。此外，东北重型机械学院王灵忠等对松籽脱壳、酸枣仁脱壳的机理研究，已取得可喜成果，获得国家发明奖。东北农学院马小愚等对大豆籽粒力学性质进行了试验研究，江苏工学院陈嘉真、安徽省农机研究所吴兆康等均对茶叶的摩擦特性作了研究，安徽工学院单明彻等对水果机械特性及损伤的研究等均属于农业生物力学中的物性方面的研究。应对生物体生命现象中与力学的关系作更多的研究。美国马里兰大学Arthur．T．Johnson博士，是一位年轻的副教授，提出过建立“农业生物工程(Agribioengineering)'’的建议[9)，他认为传统的农业工程，已不能与当今农业发展的需要相适应，应该利用工程学的观点和方法，来解释并解决农业中众多的生物学问题。还可以认为农业生物工程是农业工程的一个新分支和必要的延伸，使原来被动地为农业生产服务，转变为利用生命科学的成就更主动地为农业生产服务。他列举了在种植业、养殖业和农产品加工业中富有挑战性的课题，如开发测定虫害、环境(光、水、土、肥、气、湿度等)与生长因素间相关的传感器与调控系统，为农业丰产、提高品质月艮务，适应宇航需求的动植物生长系统，还有涉及农产品高频介电特性、流变特性及人体工程学等问题，这些考虑与作者所见略同，可惜尚未形成系统。作者提出的“农业生物力学”不但初步形成教学体系，而且进行了教学和科研实践，更具有现实性与可行性。二、“农业生物力学”的教学体系简介为推进“农业生物力学(Ag．ribiomechanics)'’的学科建设，从1986年起开始招收这一方向的硕土研究生，已有两届毕业，同时着手编写教材，于1988年底完稿。先后经三届硕士研究生、一届博士研究生和两届本科生的教学实践，分别在江苏工学院、南京农业大学农业工程学院进行，与此同时，还开出了相应的实验课，完成了习题，教学效果良好，结合研究生课题作了较为深入的科学研究。现将初步形成的教学体系，简介于后Cd]：'．导论．首先阐述生物力学的发展过程，农业生物力学与医学生物力学的异同，主要研究领域、方法及应用前景。．2．植物流体力学土壤—植物—大气连续系统中的水分、营养物的移运，根茎叶的结构与汁液的流体力学，汁液流速的测定，叶面气孔的启闭动力学，蒸腾计算，气孔计，在节水农业灌溉中的控制技术——植物生理需水的信息采集系统，在低污染植保工程中的应用。，；3．农业生物物料的流变力学农业生物物料的主要流变特性和基本的测定方法，鲜技术。 l农业物料的材料力学及农产品的损伤力学农业物料基本材料力学特性、测定方法及其应用，流变热力学简介及其在多浆果中的保农产品损伤的原因，损伤的生物学特第4期‘农业生物力学的研究进展征，机械损伤，撞击损伤，振动损伤，机械损伤的数学模型，损伤控制及防止，农产品贮运中防损措施及其效果。5．役畜力学·役畜使用概况，四肢动物的步态和生物力学，肌肉，骨骼的基本力学性质，役畜牵引，挽具改进，牵引方法。提高役畜出力和延长服役期的新型挽具及其经济性。；；-6．生物电的产生与测量；生物电现象。生物电的产生，生物细胞的膜电位(静息电位)与动作电位及其!数学模型，蛋晶的生物电现象及其测定，鸡蛋生物电特性在孵化、新鲜度检测中的应用。7．农业生物物料的电特性及其应用生物膜的结构、功能与等效电路和电特性，人工双分子层的应用前景，种子在静电场中的受力分析，按生命活力分选种子的原理，种子介电分选机，静电喷雾中雾滴带电后运动过程分析，静电喷雾的效果及其经济性，静电保鲜技术。8．农业生物物料的磁特性及其应用?农业生物物料的磁特性，磁化率的测定，种子的磁场处理，磁处理水在农业中的应用及推广问题，磁场、电场中的生物学效应及其应用。农业生物力学中还有不少问题并未涉及，如微观农业生物力学，农业生物热力学，开放系统中的热力学问题，植物群落的流体力学等，均有待今后更多的同行作深入系统的研究。关于这学科的名称，有人建议用“农业生物物理”更为贴切，但大量是生物力学问题，甚至是广义的力学问题，故暂用“农业生物力学。。三、研究进展举例江苏工学院及国内外学者在这一领域做了大量有益的研究，现举例说明如下，表明其令人振奋的前景。·’．对农业物料的流变特性测定采用窄缝式在线流变仪，测得高温(100—150~C)高压(3．0MPa)下玉米粉料通过挤压机的流变特性，基本符合幂律流的规律[s)，属于非牛顿流体。作者还应用影象云纹法，测定了马铃薯，苹果的力学和蠕变性质，该法具有简单、直观和非接触式的特点[6]。2．农业节水灌溉控制系统!利用土壤—植物—大气连续系统(SPAC)中水分移运与细胞组织之间的相关关系，采集植物自身生理需水的信息，作为灌溉的控制信号，可望获得较大幅度的节水效果，而对增产影响不大[9]。S．低污染植保工程的研究根据树木韧皮部、木质部内水分和汁液的移运规律，将传统的喷洒农药防治树木病虫害的方法，改为“注(涂)药液法”，不但效果显著而且可大幅度降低环境污染，引起人们注目。如山西果树所朱文勇用强力注射“铁—碳水化合物(复绿剂)”成功地解决了具有世界意义的果树黄化病，河北杨建秋利用打针—输液法，解决了“柿癌。，获得柿子大丰收，最近他又组建了“技术开发集团。，对柿子的栽培，贮藏、保鲜、加工提供系列服务。我们对悬铃102农业机械学报木采用涂药法，亦可明显降低虫害，保护城市的林荫道。4．按种子生命活力选种的新技术：根据种子在电场、磁场作用下的生物学效应，可开发出磁分选机(9J、种子静电分选机和种子介电分选机C8)。这是因生命活力强的种子磁化率低，在电场中，生命活力强的种子极化带电量少。作者完成的“谷物及经济作物电特性研究”获1988年机电部科技进步三等奖。5．将电场，磁场的生物学效应用于农业工程，取得较好的结果如对水生作物菱进行电、磁处理可以增产。种子的磁场处理C12)，磁处理水浸种、灌溉，只要剂量适中均有增产的效果。利用静电可使蕃茄保鲜。这些效果只是均需研究其作用机理，设法提高其稳定性，才有推广价值。8．静电喷雾技术的研究．带静电的药液雾滴能较好地作用到植株上，提高防治效果15—20％，其中雾滴在静电场作用下的破碎过程、电量保持雾滴带电后向植株的聚集、沉降等均有大量的力学问题。7．蛋品的生物电研究C：，)对品质检测，孵化质量控制、早期剔除无精蛋、死胎蛋等均是有效的，具有巨大的经济价值和发展前景。8．流变热力学在农产品加工保鲜贮运中的应用农产晶在贮运过程中与其流变热力学性质有关，如冻害，高温腐败，热软化，蛋白质变性，加工过程中的高温干燥谷物爆腰，淀粉在高温、高压下n化后的热流变特性等与品质密切相关。通过试验，研究草莓的损伤过程Clo)，．获得草莓的较佳贮运温度和包装方式，可以延长保鲜期，对开拓外贸市场十分有利。、此外，国内外有人致力于人工双分子层膜(BLM)技术的应用研究，如嗅敏仪，海水淡化，模拟藻类光解水制氢、制氧工艺C4)及生物传感器的开发利用。21世纪的人工胚芽——“人造种子”在我国也已开始研究，如复旦大学已培养出水稻，芹菜的“人造种子”(1987年)。但工业规模的人造种子的大量生产与播种装备，将有大量的力学，工程问题有待解决。被称为21世纪的第四高技术农业——植物工厂，从播种、根部喷水施肥，人工气候(如光照，·温度、湿度和气氛等)、传送到计算机控制中的全生产工程中，也将涉及不少力学、工程，农业生物力学与农业生物工程问题，有待去探索求解。当然，农业生物力学的研究进展远不止这些，有的可能还是农业生物工程学中的问题，这二者是有密切关系的。从列举的例子中可以发现与农业现代化的关系密切，对这一学科的研究希望能得到有关部门的支持和同行们的关注。