一种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法
【专利摘要】一种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法，属于农林业捕捉蝗虫设备【技术领域】。本发明所提出的蝗虫捕集仿生滑板的基板表面的三棱柱结构能够有效抑制蝗虫附着系统爪垫形成的机械锁合作用；基板表面的矩形凹槽或盲孔结构能够容蓄微米级鳞片状石墨，微米级鳞片状石墨层能够抑制蝗虫附着系统爪垫形成的柔性接触作用，从而能够极大程度地减弱蝗虫的附着功能，提高蝗虫在捕集滑板的滑移率；这种蝗虫捕集仿生滑板还具备能够长时间使用、重复使用等优点。本发明的制备方法是对现有技术的突破，在制备过程中，采用了先进的激光微纳加工技术，能使得基板表面的结构与猪笼草叶笼滑移区的新月形月骨体和片状蜡质晶体的表面结构非常相似，达到非常好的仿生效果。
【专利说明】一种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对灾害蝗虫进行捕集的装置及其制备方法，属于农林业捕捉蝗虫设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在中国的内蒙古、新疆、青海等西北地区，以及澳大利亚、亚洲西北部、非洲等区域，每年都会爆发蝗虫灾害，对农业作物和草原生态造成严重破坏。对灾害蝗虫的有效防治成为保障农业生产顺利进行的重要环节。现阶段，传统方法治理蝗虫灾害是喷施化学农药，造成农药毒素在生态环境中的残留与积淀，对生态环境造成严重破坏，同时也对人类健康造成威胁。近几年，光电诱导蝗虫滑移捕集技术已被提出并得到迅速发展。该技术设置光源作为灾害蝗虫趋向行为控制的诱导因素，设置捕集滑板作为诱集蝗虫的滑移捕获因素，从而实现灾害蝗虫的诱导捕集。在自然进化过程中，蝗虫附着系统形成了具有坚硬末端的爪和柔性表皮结构的爪垫，能够在绝大多数接触物表面产生机械锁合与柔性接触2种附着方式，实现自如行走和稳固停留。研制具有良好滑移功能的捕集滑板，使蝗虫附着系统形成的机械锁合与柔性接触作用同时降到最低，是保证光电诱导蝗虫滑移捕集技术获得推广应用的关键。
[0003]中国专利号CN 1229017C, CN 1292650C公开的光电诱导蝗虫捕集机中，涉及的捕集滑板为土木或混凝土结构。对于土木或混凝土结构式的捕集滑板，蝗虫的附着系统(爪、爪垫)能够在该类型捕集滑板的表面形成机械锁合与柔性接触，实现蝗虫的稳固附着，不利于光电诱导蝗虫捕集机捕集效率的提高。
[0004]中国专利号CN 101961002 B公开了一种蝗虫滑移捕集滑板，它的结构分为3层，依次为底层、中间层和顶层；底层为未经加工的木质、塑料材质或金属材质的基板，中间层为粘合剂，顶层为最大尺寸为1.0?1.5mm及平均尺寸为0.5?0.9mm的鳞片状可膨化石墨；采用高压静电吸附的方法将鳞片状可膨化石墨吸附于基板表层的粘合剂表面，所通高压静电的电压为7.0?20.0kV，通电时间为20?300s。这种蝗虫滑移捕集滑板，可在一定程度上抑制蝗虫附着系统的附着功能，能够提高灾害蝗虫的滑移捕集率。但是这种捕集滑板的缺点是不宜长时间使用，更不宜重复使用，其原因在于，直立附着于基板粘合剂的鳞片状可膨化石墨在蝗虫附着系统施加的侧向力作用下易发生断裂和脱落现象，而且鳞片状可膨化石墨脱落后暴露于基板的粘合剂造成蝗虫附着能力的增强。
[0005]文献“猪笼草叶笼滑移区表面结构参数表征与蝗虫捕集滑板仿生设计”[王立新，农业机械学报，2011，42 (I): 233-235]、“农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景”[王立新，河北科技大学学报，2014，35(4): 309-317]和“蝗虫灾害光电诱导捕集治理研究进展及应用前景分析”[王立新，中国农业大学学报，2014，19(5): 203-210]等研究指出，猪笼草叶笼滑移区对蝗虫附着系统表现出的良好滑移功能是通过滑移区具有微米级尺度的表面特殊结构实现的。具体是具有二重斜坡形貌(上斜坡倾斜角为20?25°，下斜坡倾斜角为75?80° )的月骨体能够有效抑制蝗虫附着系统的爪形成机械锁合作用；具有良好滑移特性的片状蜡质晶体能够限制蝗虫附着系统的爪垫形成柔性接触作用，显著减少了用以产生附着力的附着面积。根据这种认知，上述文献提出了一种蝗虫捕集滑板的仿生设计，这种设计基于猪笼草叶笼滑移区因具有特殊表面结构而对昆虫表现出良好的滑移功能，设计了蝗虫捕集滑板的表面微结构，即具有新月形的月骨体和片状的蜡质晶体，这与猪笼草叶笼滑移区的表面结构非常相似，但局限于加工技术，至今未能实现具有该种结构的捕集滑板的制备。
[0006]由于现有的蝗虫滑移捕集滑板不能满足实际使用的需要，同时随着技术的进步，更先进的仿生加工技术已经成为可能，因此有必要设计和制备新的蝗虫捕集仿生滑板，使新的蝗虫捕集仿生滑板不仅能够有效抑制蝗虫附着系统的附着功能，表现出较高的滑移率，还能具有重复使用的功能。
【发明内容】
[0007]本发明做要解决的技术问题是提供一种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法，这种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法具有猪笼草叶笼滑移区能够对昆虫附着系统表现出良好滑移功能的特殊表面结构(月骨体、蜡质晶体)，不仅能够有效限制蝗虫附着系统形成的机械锁合与柔性接触作用，从而显著减弱或完全抑制蝗虫正常的附着功能，而且还能够长时间使用和重复使用。
[0008]解决上述技术问题的技术方案是:
一种蝗虫捕集仿生滑板，它包括基板和附着在基板上的微米级鳞片状石墨，基板为金属材质的平面薄板，在基板表面有多个凸起的三棱柱，多个凸起的三棱柱平行排列，三棱柱的两侧面与基板表面倾斜相交，三棱柱的长度与基板的宽度相同，在基板的表面有多个矩形凹槽或盲孔，多个矩形凹槽平行排列，三棱柱的轴线与矩形凹槽的轴线平行，盲孔在基板表面均布，微米级鳞片状石墨吸附在基板表面的矩形凹槽或盲孔中。
[0009]上述蝗虫捕集仿生滑板，所述三棱柱的高度为0.2-0.3 mm，两个倾斜侧面与基板表面的倾斜角度分别为20?25。和75?80°，相邻三棱柱顶端的间距为1.4-1.5mm。
[0010]上述蝗虫捕集仿生滑板，所述基板表面的矩形凹槽的宽度小于25 μ m，长度为基板宽度，深度为55-65 μ m,相邻矩形凹槽的中心距为55-65 μ m ;盲孔的半径为8-12 μ m,深度为55-65 μ m,相邻盲孔的中心距为55-65 μ m。
[0011 ] 上述蝗虫捕集仿生滑板，所述微米级鳞片状石墨直立或趋于直立在基板表面。
[0012]一种制备上述蝗虫捕集仿生滑板的方法，它采用以下步骤进行:
(1)选取金属材质的平面薄板，按所需尺寸截取，通过打磨去除边角毛刺及表面污溃，作为备用基板；
(2)基板加工:利用机械切削加工手段，按照上述结构参数，在基板表面制备二重斜坡结构，即三棱柱结构；采用激光微纳加工技术，按照上述结构参数，在基板表面制备微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔；
(3)在基板上附着微米级鳞片状石墨:首先制作用以盛放微米级鳞片状石墨的盒子，盒子有底无盖，底部为金属材质的薄板，四面为塑料材质薄板，盒子高度为20?24mm，长宽尺寸小于基板的长宽尺寸，盒子底部放置微米级鳞片状石墨，厚度为5?8_ ;然后将金属材质的基板倒放于盒子顶部，盒子底部的金属薄板视为极板；最后将高压静电源的正负电极分别连接到基板和盒子底部的极板，接通高压静电，维持一定时间，在高压静电作用下，微米级鳞片状石墨被吸附至基板的微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔中，并保持直立状态。
[0013]上述制备蝗虫捕集仿生滑板的方法，所述微米级鳞片状石墨的平均尺寸为20 μ m。
[0014]上述制备蝗虫捕集仿生滑板的方法，所述高压静电源的正负极分别通过基板导线和极板导线连接到基板和极板上，高压静电的电压为3.0?7.0KV，通电时间为100?150S。
[0015]本发明的有益效果是:
本发明提供了一种蝗虫捕集仿生滑板及制备方法，蝗虫捕集仿生滑板的基板表面的三棱柱结构是仿生猪笼草叶笼滑移区月骨体的二重斜坡结构，能够有效抑制蝗虫附着系统爪垫形成的机械锁合作用；基板表面的矩形凹槽或盲孔结构能够容蓄微米级鳞片状石墨，高压静电吸附作用下，微米级鳞片状石墨近乎竖直且厚度均匀的分布于基层表面；微米级鳞片状石墨层能够抑制蝗虫附着系统爪垫形成的柔性接触作用，从而能够极大程度地减弱蝗虫的附着功能，提高蝗虫在捕集滑板的滑移率；这种结构的蝗虫捕集仿生滑板还具备能够长时间使用、重复使用，以及制备工艺简单易操作等优点。本发明的制备方法是对现有技术的突破，在制备过程中，采用了先进的激光微纳加工技术，在基板表面制备微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔，配合微米级鳞片状石墨，因此能使得基板表面的结构与猪笼草叶笼滑移区的新月形月骨体和片状蜡质晶体的表面结构非常相似，达到非常好的仿生效果，是现有的蝗虫捕集滑板的升级换代产品，具有显著的经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的蝗虫捕集仿生滑板结构的局部示意图；
图2是本发明的蝗虫捕集仿生滑板基板表面的三棱柱结构示意图；
图3是本发明的蝗虫捕集仿生滑板基板表面的矩形凹槽结构示意图；
图4是本发明的蝗虫捕集仿生滑板基板表面的盲孔结构示意图；
图5是本发明制备蝗虫捕集仿生滑板的高压静电吸附微米级鳞片状石墨的机构示意图。
[0017]图中标记如下:基板1、微米级鳞片状石墨2、三棱柱3、矩形凹槽或盲孔4、盒子5、高压静电源6、极板7、基板导线8、极板导线9。
【具体实施方式】
[0018]本发明包括基板1、附着在基板I上的微米级鳞片状石墨2、盛放微米级鳞片状石墨的盒子5、在基板I上吸附微米级鳞片状石墨2的高压静电源6，以及连接高压静电源6的基板导线8和极板导线9。
[0019]图1显示，基板I表面有多个凸起的三棱柱3，多个凸起的三棱柱3平行排列，三棱柱3的两侧面与基板I表面倾斜相交，三棱柱3的长度与基板I的宽度相同，三棱柱3的高度为0.2-0.3 mm，两个倾斜侧面与基板表面的倾斜角度分别为20?25°和75?80°，相邻三棱柱顶端的间距为1.4-1.5mm。
[0020]图1显示，在基板I的表面有多个矩形凹槽或盲孔4，多个矩形凹槽平行排列，三棱柱3的轴线与矩形凹槽的轴线平行，盲孔在基板I表面均布，微米级鳞片状石墨2吸附在基板I表面的矩形凹槽或盲孔4中。基板I表面的矩形凹槽的宽度小于25 μ m，长度为基板I宽度，深度为55-65 μ m,相邻矩形凹槽的中心距为55-65 μ m。盲孔的半径为8-12 μ m,深度为55-65 μ m,相邻盲孔的中心距为55-65 μ m。
[0021]图2显示，本发明的一个实施例的三棱柱的高度h为0.225 mm，三棱柱3的一个斜面与基板I的倾斜角α为23°，三棱柱3的另一个斜面与基板I的倾斜角β为76°，三棱柱3的一个斜面长度X为0.576 mm,三棱柱3的另一个斜面长度y为0.232mm,相邻三棱柱3顶端的间距为1.45mm。
[0022]图3显示，本发明的一个实施例的矩形凹槽的宽度w为20 μ m，长度Ic即为基板I宽度(120mm),深度he为60 μ m,中心距dc为60 μ m。
[0023]图4显示，本发明的一个实施例的盲孔的半径r为10 μ m，深度为60 μ m,间距dk为60 μ m0
[0024]图5显示，本发明的金属材质的基板I倒放于盒子5顶部，盒子5底部的金属薄板为极板7，高压静电源6的正负电极分别通过基板导线8、极板导线9连接到基板I和极板7上。
[0025]本发明的上述实施例的制备方法如下:
(O选取平面度良好、厚度为1.5mm的铝合金材质薄板，截取若干块长X宽为180X120mm作为基板1，截取I块长X宽为190X 120mm作为制作盛放微米级鳞片状石墨盒子5的底板，即为极板7，用目数为3000的砂纸打磨基板，去除边角的毛刺及表面污溃。
[0026](2)利用数控切削加工的方法，在基板I表面加工仿猪笼草叶笼滑移区月骨体的二重斜坡结构，即三棱柱3结构，三棱柱3结构的参数如图2所示。
[0027](3)采用激光微纳加工技术，在基板I表面制备微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔4，矩形凹槽或盲孔4的参数如图3和图4所示。
[0028]利用激光微纳加工技术，在基板I表面加工具有微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔4结构时，对于矩形凹槽或盲孔4三维结构参数的确定，需要综合权衡两个方面之间的关系，即对微米级鳞片状石墨2的容蓄能力，以及对蝗虫附着系统爪形成机械锁合作用的限制。矩形凹槽或盲孔4的三维结构参数越大，对微米级鳞片状石墨2的容蓄能力就越强。但是，较大的矩形凹槽或盲孔4能够为蝗虫附着系统的爪提供稳固的停驻点，用以形成有效的机械锁合，不利于降低蝗虫的附着功能。因此，在确保蝗虫附着系统的爪不能形成机械锁合的前提下，应当尽量增大矩形凹槽或盲孔4的三维结构参数。有研究发现，当材料表面结构参数小于蝗虫附着系统爪的尖端(爪尖)直径时，爪尖不能抓取材料表面结构，从而不能形成机械锁合作用。测量获取蝗虫成虫附着系统爪尖的直径，为25?30 μ m。基于上述分析，矩形凹槽或盲孔4的横向参数应小于幢虫附着系统爪尖的直径，即小于25 μ m。
[0029](4)盒子5底部放置微米级鳞片状石墨2，微米级鳞片状石墨的平均尺寸为20 μ m,厚度为6mm，然后将基板I倒放于盒子5顶部，盒子5底部的金属薄板为极板7，将高压静电源6的正负电极分别连接到基板I和盒子5底部的极板7，接通高压静电，高压静电的电压为3.0?7.0KV，通电时间为100?150S，在高压静电作用下，微米级鳞片状石墨2被吸附至基板I的微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔4中，并保持直立状态。
【权利要求】
1.一种蝗虫捕集仿生滑板，其特征在于:它包括基板(I)和附着在基板(I)上的微米级鳞片状石墨(2)，基板(I)为金属材质的平面薄板，在基板(I)表面有多个凸起的三棱柱(3)，多个凸起的三棱柱(3)平行排列，三棱柱(3)的两侧面与基板(I)表面倾斜相交，三棱柱(3)的长度与基板(I)的宽度相同，在基板(I)的表面有多个矩形凹槽或盲孔(4)，多个矩形凹槽平行排列，三棱柱(3)的轴线与矩形凹槽的轴线平行，盲孔在基板(I)表面均布，微米级鳞片状石墨(2 )吸附在基板(I)表面的矩形凹槽或盲孔(4)中。
2.根据权利要求1所述的蝗虫捕集仿生滑板，其特征在于:所述三棱柱(3)的高度为0.2-0.3 mm，两个倾斜侧面与基板(I)表面的倾斜角度分别为20?25°和75?80°，相邻三棱柱(3)顶端的间距为1.4-1.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的蝗虫捕集仿生滑板，其特征在于:所述基板(I)表面的矩形凹槽的宽度小于25 μ m,长度为基板(I)宽度，深度为55-65 μ m,相邻矩形凹槽的中心距为55-65 μ m ;盲孔的半径为8-12 μ m,深度为55-65 μ m,相邻盲孔的中心距为55-65 μ m。
4.根据权利要求3所述的蝗虫捕集仿生滑板，其特征在于:所述微米级鳞片状石墨(2)直立或趋于直立在基板(I)表面。
5.一种制备上述蝗虫捕集仿生滑板的方法，其特征在于:它采用以下步骤进行: a.选取金属材质的平面薄板，按所需尺寸截取，通过打磨去除边角毛刺及表面污溃，作为备用基板(I); b.基板(I)加工:利用机械切削加工手段，按照上述结构参数，在基板(I)表面制备二重斜坡结构，即三棱柱(3)结构；采用激光微纳加工技术，按照上述结构参数，在基板(I)表面制备微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔(4)； c.在基板(I)上附着微米级鳞片状石墨(2):首先制作用以盛放微米级鳞片状石墨(2)的盒子(5)，盒子(5)有底无盖，底部为金属材质的薄板，四面为塑料材质薄板，盒子(5)高度为20?24_，长宽尺寸小于基板(I)的长宽尺寸，盒子(5)底部放置微米级鳞片状石墨(2)，厚度为5?8mm ;然后将金属材质的基板(I)倒放于盒子(5)顶部，盒子(5)底部的金属薄板视为极板(7);最后将高压静电源(6)的正负电极分别连接到基板(I)和盒子(5)底部的极板(7)，接通高压静电，维持一定时间，在高压静电作用下，微米级鳞片状石墨(2)被吸附至基板(I)的微米级几何参数的矩形凹槽或盲孔(4)中，并保持直立状态。
6.根据权利要求5所述的制备蝗虫捕集仿生滑板的方法，其特征在于:所述微米级鳞片状石墨(2)的平均尺寸为20 μ m。
7.根据权利要求6所述的制备蝗虫捕集仿生滑板的方法，其特征在于:所述高压静电源(6)的正负极分别通过基板导线(8)和极板导线(9)连接到基板(I)和极板(7)上，高压静电的电压为3.0?7.0KV，通电时间为100?150S。
【文档编号】A01M1/16GK104381237SQ201410687399
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】王立新 申请人:河北科技大学