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『簡體書』机械仿生技术

書城自編碼: 2939321
分類: 簡體書→大陸圖書→工業技術機械/儀表工業
作者: 张伏、李心平、邱兆美、王甲甲
國際書號(ISBN): 9787302450115
出版社: 清华大学出版社
出版日期: 2016-12-01
版次: 1
頁數/字數: 233/372000
書度/開本: 16开 釘裝: 平装

售價:NT$ 435

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編輯推薦:
机械仿生技术是一本专著,亦可以作为研究生教材使用。本书对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术、仿生矫形技术等进行了详细的论述。
內容簡介:
在自然界中,生物经过亿万年的进化,对生存环境具有高度的适应性。生物的感知、指令、决策、反馈、运动等机能和外部器官的结构为新产品优化设计和发明创造提供了灵感,为人类解决科技难题提供了仿效对象,以此创造出的新理论和新技术,对仿生机械工程、生物制造工程、组织工程、医学工程等相关工程学科的发展具有重大促进作用。
本书对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术三方面进行了详细的论述。仿山羊坡地行走机构设计为今后仿山羊坡地行走机构物理样机的结构设计提供了有力的参考依据; 仿鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米机理的玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒设计为低损伤玉米种子脱粒机研究提供理论依据; 仿蝴蝶鳞片结构色变色机理的仿生多层膜结构设计为仿生变色结构设计提供理论基础。
本著作理论与实践相结合,内容新颖,图文并茂,具有先进性、针对性和实用性的特点。可作为高等普通院校机械类工科专业有关仿生技术的教材,也可作为工程技术人员或相关研究者从事仿生设计和分析的技术参考书。
目錄
目录
第1章绪论

1.1仿生四足机器人概况

1.1.1仿生行走机构

1.1.2仿生四足机器人

1.2脱粒技术概况

1.2.1脱粒技术

1.2.2种子玉米脱粒装置

1.2.3种子玉米损伤籽粒发芽率研究

1.3生物结构色与变色概况

1.3.1结构色形成机理

1.3.2化学色形成机理

1.3.3结构色类型

1.3.4蝴蝶鳞片微观结构与光学特性

1.3.5生物色变色

1.4颈椎假体设计概况

1.4.1颈椎有限元建模方法

1.4.2颈椎假体设计

参考文献

第2章仿生行走技术

2.1山羊步态采集试验

2.1.1试验方法

2.1.2试验过程

2.1.3试验数据处理

2.2山羊坡地行走步态分析

2.2.16坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.26坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.318坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.418坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.536坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.636坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.7不同坡度步态分析

2.3山羊坡地运动机理分析

2.3.1山羊身体结构分析

2.3.2山羊步态运动影响因素

2.3.3山羊运动分析

2.3.4山羊力学分析

2.4仿山羊行走机构研究

2.4.1仿山羊行走机构设计

2.4.2仿山羊行走机构三维实体建模

2.4.3仿山羊坡地行走机构动态仿真分析

2.5小结

参考文献

第3章仿生脱粒技术

3.1玉米果穗生物特性

3.1.1种子玉米穗特性分析

3.1.2种子玉米籽粒特性分析

3.2种子玉米籽粒力学特性

3.2.1试验准备

3.2.2结果分析

3.2.3籽粒裂纹分析

3.3玉米果穗离散特性

3.3.1玉米果穗籽粒组砌规律对其离散效果的影响

3.3.2玉米果穗离散分析

3.3.3玉米果穗籽粒间循环力衰败分析

3.4玉米果穗裸手仿生差速脱粒

3.4.1玉米果穗籽粒裸手脱粒

3.4.2玉米果穗区间裸手脱粒效果分析

3.5玉米果穗鸡喙啄籽仿生离散

3.5.1试验材料及设备

3.5.2试验方法

3.5.3鸡喙啄食穗体籽粒的离散力学特征分析

3.6小结

参考文献

第4章仿生变色技术

4.1蝴蝶鳞片微观耦合结构

4.1.1蝴蝶鳞片形态与颜色

4.1.2蝴蝶鳞片微观结构

4.1.3蝴蝶鳞片结构模型

4.2蝴蝶鳞片结构色光学试验

4.2.1鳞片光学变色

4.2.2光学试验

4.2.3光学试验结果与分析

4.3蝴蝶鳞片结构色光学机理分析

4.3.1颜色的产生机制

4.3.2结构色着色机理

4.3.3理论计算分析

4.3.4结构色变色机理

4.4多层薄膜耦合结构仿生设计

4.4.1多层薄膜耦合结构分析

4.4.2多层薄膜耦合仿生设计

参考文献

第5章仿生矫形技术

5.1医学建模实例

5.1.1医学图像数据采集

5.1.2逆向工程建模技术

5.1.3三维实体重建

5.1.4划分网格与建立韧带

5.1.5边界条件设置

5.1.6模型验证

5.2单节段植入模型建立实例

5.3仿生融合器设计

5.3.1仿生融合器形状设计

5.3.2仿生融合器结构设计

5.3.3仿生融合器表面形态设计1

5.3.4仿生融合器表面形态设计2

5.3.5仿生融合器表面形态设计3

5.4小结

参考文献
內容試閱
前言
本书主要取材于国家自然科学基金项目U1204514、51175150、河南省科技攻关项目112102310476等资助下取得的成果和作者及其研究团队在国内外期刊与会议上发表的学术论文。在自然界中,生物经过亿万年的进化,对生存环境具有高度的适应性。生物在信息处理、控制调节、能量转换、方位辨别、导航和探测等方面,有着不可比拟的优点。生物的感知、指令、决策、反馈、运动等机能和外部器官的结构为新产品优化设计和发明创造提供了灵感,为人类解决科技难题提供了仿效对象,以此创造出的新理论和新技术使得仿生学得以诞生和发展。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学,是一门生物科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。仿生学研究是生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等多学科的相互渗透和交叉; 同时,仿生学的研究发展对仿生机械工程、生物制造工程、组织工程、医学工程等相关工程学科的发展具有重大促进作用。总之,仿生学为科技创新提供了新思路、新理论和新方法。本书共5章,主要对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术、仿生矫形技术等进行了详细的论述。第1章概述了仿生四足机器人、种子玉米脱粒、生物结构色与变色、颈椎假体设计、鞘翅结构与复合材料的发展现状; 第2章介绍了山羊坡地行走步态,设计了仿山羊坡地行走机构,对行走机构进行了三维动态仿真分析,为今后仿山羊坡地行走机构物理样机的结构设计提供了有力的参考依据; 第3章从研究玉米籽粒的机械损伤入手,通过鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米的机理分析,以及玉米籽粒间循环力圈的生物学、力学特性等系列试验,找出玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒与仿生脱粒方式之间的关系,进而为仿生设计低损伤玉米种子脱粒机提供理论依据; 第4章通过对典型蝴蝶鳞片的形态和结构进行较为系统的研究,揭示了其结构色的形成机理,设计了变色试验,通过改变入射角度和填充介质两种方法研究了蝴蝶鳞片的变色现象,建立了其光学性能的物理模型,构建了ABA型121组合的仿生多层膜结构,为仿生变色结构设计提供理论基础; 第5章结合仿生学原理,设计更加具有人体生理功能的人工假体或关节,将仿生矫形技术这一思想更好地渗透到外科矫形手术当中,可以为外科医生实施手术提供理论依据。本书由张伏、李心平、邱兆美、王甲甲著,其中张伏编写了1.1节、第2章,李心平编写了1.2节和第3章,邱兆美编写了1.3节和第4章。王甲甲编写了1.4节和第5章。本书汇聚了作者研究小组多年来的创新研究成果,在研究过程中得到了许多同行的大力帮助和支持。在此由衷地感谢吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士、长江学者佟金教授、长江学者韩志武教授对我们研究工作的支持和帮助!感谢河南科技大学郭志军教授对我们研究工作的支持和帮助!感谢洛阳拖拉机研究所有限公司张国英工程师的支持和帮助!感谢本组研究生王唯、于瑞锋、刘红梅、张海峰、马磊、杜哲、马义东、吴康等在本书编著过程中所做的大量的图片处理和文字校对工作!本书得到河南科技大学学术专著出版基金资助,在此一并表示感谢。由于作者学识与精力有限,加之时间仓促,书中难免会有疏漏及不尽如人意之处,恳请读者批评指正!作者2016.01


第3章仿生脱粒技术
玉米种子的机械损伤会给储存和生产带来严重的影响,种子的机械损伤是由脱粒机械所引起,脱粒方法是影响其机械损伤的主要因素。由于玉米穗上籽粒间循环力圈的存在,使得传统冲击式玉米脱粒机不能满足玉米种子低破碎率的要求。通过对某些鸟类啄食玉米果穗及人类手工脱粒过程的研究发现: 某些鸟类的楔形喙部不仅具有优良的切入籽粒间隙离散大片籽粒的能力,还具有较强的啄取籽粒能力,离散下的籽粒无损伤; 仿人手脱粒,能有效破坏籽粒间循环力圈,籽粒按顺序差速脱粒,损伤低、脱净率高。这些都能为低损伤仿生脱粒玉米种子提供仿生学思路。本章从研究玉米籽粒的机械损伤入手,通过鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米的机理分析,以及玉米籽粒间循环力圈的生物学、力学特性等系列试验,找出玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒与仿生脱粒方式之间的关系,进而为仿生设计低损伤玉米种子脱粒机提供理论依据。3.1玉米果穗生物特性生产上种植较多的常规类型种子玉米有马齿型、半马齿型和硬粒型,种植较多的特用类型种子玉米有甜质型、糯质型、高油型、高蛋白型和爆裂型。各类型种子玉米的形态特征如下:马齿型: 植株高大,果穗呈圆柱形,籽粒长扁平,粉质淀粉分布于籽粒的顶部及中部,两侧为角质淀粉。由于粉质的顶部比角质两侧干燥得快,籽粒成熟时顶部与腹部失水后发生内凹,顶部收缩多导致形成马齿状。硬粒型: 果穗呈圆锥形,上宽下窄,籽粒圆形、坚硬饱满、透明而有光泽。籽粒顶部及四周的胚乳皆为角质淀粉,仅中部有少量粉质淀粉。半马齿型: 植株、果穗的大小形态和籽粒胚乳性质都介于马齿型和硬粒型之间。籽粒顶部凹陷深度较马齿型浅或不凹陷。甜质型: 植株矮小,分蘖力强,果穗小,成熟籽粒表面皱缩、不饱满; 籽粒半透明,胚较大。籽粒胚乳几乎全为角质胚乳,含糖量较高,淀粉总量较低。糯质型又称蜡质型: 果穗较小,籽粒的胚乳几乎全部由支链淀粉所组成。籽粒表面无光泽,胚乳全部为角质、不透明而且呈蜡状。高油型: 籽粒含油量比普通种子玉米高50%以上的种子玉米类型。普通种子玉米的含油量在4%~5%,高油种子玉米的含油量一般为7%~10% 油的85%集中在种胚内。高油种子玉米的典型特征是胚大、发育早而快,因而有一个较大的胚面。高蛋白型: 种子玉米籽粒中赖氨酸含量在0.4%以上的种子玉米类型普通种子玉米的赖氨酸含量只有0.2%左右。籽粒的胚乳为粉质型,无光泽、不透明。爆裂型: 每株结穗较多,果穗与籽粒都较小,籽粒果皮及胚乳结构紧密,胚乳几乎全部由角质胚乳所组成。粒型有米粒型和珍珠型两种,米粒型籽粒较尖,而珍珠型籽粒较圆。我国种植最多的是马齿型、半马齿型,其次是硬粒型; 甜质型、糯质型、爆裂型等只有零星种植。本试验主要研究马齿型与半马齿型种子玉米。3.1.1种子玉米穗特性分析一般种子玉米果穗可分为长筒型、短筒型、长锥型、短锥型等4种。马齿型种子玉米的穗型多为筒型,而硬粒型种子玉米多为锥型,如图31所示。理想的株型种子玉米果穗应为长筒型,包叶适宜,穗轴细、出籽率高,穗行数多16~18行或更多,行粒数也多,千粒重高。
图31种子玉米果穗类型
(a) 长筒型; (b) 短筒型; (c) 长锥型; (d) 短锥型
在种子玉米穗上,种子玉米籽粒插入种子玉米芯大约13部分,在纵行上,籽粒与籽粒之间从果柄以上一直到顶帽排列紧密,籽粒数一般18~40粒,横行上籽粒与籽粒之间从果柄以上一直到顶帽有23排列紧密,有13欠紧密或不接触,籽粒数一般8~16粒。在收获含水率在25%~35%的种子玉米时,在纵行上,籽粒之间没有缝隙,横行上籽粒之间的间隙也很小,如果整个种子玉米穗是干的,种子玉米籽粒与种子玉米芯的含水率将降低,籽粒和种子玉米芯将收缩,在纵行和纵行之间的间隙将增加,横行间籽粒间隙也将增大。一般种子玉米穗上部直径30~56mm,下部直径20~44mm,长度110~220mm。在种子玉米芯上,种子玉米籽粒排列成16~18纵行或更多偶数行,果穗上部和下部在纵行上向两头合流,纵行数减少,果穗上部最外层籽粒横向截面直径减小,且一般为不规则籽粒,最外层籽粒近似为楔形,起肋块封口的作用,是维持果穗籽粒内部力学平衡的一部分。果穗下部纵行籽粒在横向3~8排时开始逐步减行合流,籽粒也逐步减小,形成近似环形直角肋块,也是维持果穗籽粒内部力学平衡的一部分。同一种子玉米穗上的籽粒所在部位不同,其形状、尺寸各有差异,不同品种种子玉米籽粒的尺寸差异很大,即使同一品种处于种子玉米穗上不同部位尺寸也不一样,同一部位种子玉米籽粒的长度高度和宽度也是不相同的,但厚度与长度或宽度相比很小。通过果柄,每一个种子玉米籽粒被束缚在种子玉米芯上,果柄一端与种皮相连接,另一端插入种子玉米芯上的颖壳中,果柄底部进入种子玉米芯深处,颖壳壁对籽粒也有支撑作用,与种皮相连处的果柄最粗,面积也最大,如图32所示。含水率较高时果柄具有一定的韧性和弹性,但随水分的减少,果柄收缩变细、变硬、变脆。在重力或其他机械压力的作用下,果柄折断时,断面呈犬齿交错状,折断部位是发生在颖壳底部、果柄中部较脆弱的区域。果穗籽粒在果穗中的排列方式,即果穗组砌方式。在果穗上除了上部最外缘籽粒外,果穗整排排列中是以1122组砌单元为基本单元组合排列错位搭接的,该单元由6个籽粒组成,其中2颗黑色标记的籽粒组成一个块,4颗白色标记的籽粒组成一个块,两块横向错位搭接,即单层两横向籽粒侧面正对接触形成11接触,再与另外两层同样11接触的两横向籽粒侧面形成错位接触,如图33、图34所示。
图32种子玉米果穗截面图
1籽粒; 2颖壳; 3玉米芯
图33组砌单元示意图
图34组砌单元实物图
玉米果穗以1122组砌单元为基本单元排列,在果穗纵行上,每两排纵向籽粒横向间侧面正对接触形成对立缝隙A与另外两排同样纵向籽粒横向间侧面正对接触形成的对立缝隙A侧面横向再相互错开接触形成交错缝隙B,在整个玉米果穗上对立缝隙A与交错缝隙B间隔出现。为便于分析,忽略果穗上有缺陷的籽粒,沿果穗切线方向绘制果穗横向展开图,如图35所示。图中两行黑色纵排组与两行白色纵排组排列相同,形成缝隙都是A,两行黑色纵排组与两行白色纵排组横向错位接触,形成缝隙是B。实物如图36所示。按照籽粒的这种组砌规律排列形成的果穗具有坚固性与整体性,以适应较强的应力、压力、撞击力和推力,因而才能在收获、运输、剥玉米苞叶时保证籽粒屹立不倒,只有在脱粒时强加巨大冲击力,破坏了果穗籽粒的这种组砌排列结构,籽粒间的内部作用力衰减,籽粒才离散下来。
图35果穗组砌规律
图36果穗的两种纵向缝隙形式
a 果穗; b 对立缝隙局部图; c 交错缝隙局部图
1对立缝隙; 2交错缝隙
3.1.2种子玉米籽粒特性分析种子玉米籽粒实质上是果实,植物学上称为颖果,通常叫籽粒。种子玉米籽粒的形状、大小和色泽因类型和品种不同而不同,尤其是现代育种技术的不断采用和发展,使其更多样化。种子玉米籽粒的形态结构大致分为果种皮果皮和种皮、胚、胚乳和位于基部的果柄,如图37所示。
图37种子玉米籽粒
a 腹面图; (b) 纵切面
1,8粉质胚乳; 2,9硬质胚乳; 3,6果种皮; 4胚; 5,16果柄; 7糊粉层; 10胚芽鞘; 11胚芽; 12侧胚根; 13盾片节; 14胚根; 15胚根鞘
种子玉米籽粒的果种皮坚硬,是籽粒的保护层,主要是限制和防止真菌和细菌的侵染,起着保护内部组织的作用,由子房壁发育而成的果皮和内珠被发育而成的种皮愈合而成,两者紧密相连,不易区分,习惯上也称为种皮,占籽粒总重量的6%~8%,种皮厚度直接影响着籽粒与外界条件的关系。种子玉米籽粒种皮大多数是透明无色的,极少数呈红、褐色。而果皮细分的话,包括外果皮、中果皮、横细胞和管状细胞等四层组织,外果皮由长而扁的细胞组成,纵向排列,细胞壁厚; 中果皮有十几层纵向排列的细胞,外围细胞与外果皮相似,细胞壁厚; 内层细胞较宽而平,细胞壁薄; 横细胞为海绵状薄壁细胞,横向排列,细胞间隙较大; 管状细胞即内果皮,为纵向排列的细胞层。种子玉米的种皮实际上可以看作是内果皮的残余物,没有明显的细胞结构,极薄,在横切面上为一条窄的黄色带。果种皮紧贴在一起不易分离,在籽粒上端的果皮上可观察到花柱痕迹,透过果种皮,可清楚地看到胚与胚乳的分界线,如图38所示。种子玉米籽粒的胚乳位于种皮的下面,占种子全重的80%~85%。胚乳的最外层是一层含有大量蛋白质的糊粉粒的单层细胞,所以称为糊粉层,占籽粒重量的8%~10%。糊粉层下面的胚乳分为粉质胚乳部分和角质胚乳部分。粉质胚乳部分由单细胞组成,位于中央,细胞近方形,细胞内充满粉粒,结构疏松,不透明,含淀粉量大而蛋白质少。角质胚乳紧接糊粉层,淀粉粒之间充满蛋白质和胶体状态的碳水化合物,故胚乳组织紧密,呈半透明状,并且蛋白质含量较多。在硬粒型籽粒中,淀粉和蛋白质体更多地集中在胚乳四周,使胚乳形成坚硬的角质外层。在马齿型籽粒中,粉质结构一直扩展到胚乳的顶部,当干燥时形成明显的凹陷。这两种胚乳结构都受多基因控制,其他一些形状都属于单基因突变体,它们可以存在于硬粒型或马齿型的背景中,如图39所示。
图38胚乳与果皮的剖面
1果皮; 2糊粉层; 3胚乳边缘细胞; 4胚乳内部细胞放大70倍
图39胚乳纵切面
1胚乳细胞; 2胚乳的输导细胞厚组织; 3离层
种子玉米籽粒的胚也叫脐子或种脐,位于籽粒宽边中下部面向果穗的顶端,被果皮和一层薄的胚乳细胞包住,占全粒总重量的10%~15%。胚由胚芽、胚轴、胚根、盾片子叶所组成。胚的上端为胚芽,胚芽的外面有一胚芽鞘,胚芽鞘为顶端有一小孔的空锥体,有保护幼芽出土的作用。胚的下端为胚根,胚根外面包着胚根鞘,胚根鞘在幼胚中连接着胚柄。胚芽与胚根之间由胚轴相连。在胚轴上,面向胚乳的一面有一片大的内子叶紧贴胚乳,在籽粒萌发时有吸收胚乳养料的作用。这一片特殊的内子叶成为盾片,胚的大部分组织为盾片,形似铲状。胚是种子玉米籽粒生命活动的主体,最易受到伤害,影响籽粒的发芽率和储藏性能,如图37所示。种子玉米籽粒的基部下端有一尖形的果柄,它可以使种子玉米籽粒附着在穗轴上,并且保护胚。果柄与果种皮相连接,在植物学上是穗轴的一部分。种子玉米籽粒在脱粒时,果柄常常留在种子上,但有时也会脱落,1969年,T.B.Daynart等发现种子玉米籽粒达到生理成熟时,籽粒基部胚乳和基部维管区之间形成几层厚细胞,这些细胞收缩且变紧密,用肉眼看起来是黑色的一层,胚乳的基部输导细胞被分解,并且被切线方向压碎,输导功能停止。在成熟时这种黑层与种皮和果皮连接起来,在籽粒周围形成一种木栓化的屏障,即称黑层。这可以作为种子玉米籽粒生理成熟度的指标。但是侯玮等2002通过试验已经发现果柄脱落影响种子玉米籽粒的发芽率和出苗情况。种子玉米籽粒的营养成分因品质而不同,同一品种由于气候条件或栽培措施不同也略有变化。种子玉米营养成分中,淀粉含量最多,占干重的70%左右; 其次是蛋白质,占9%~11%; 油分含量虽少4.1%~5.2%,但是也比其他禾谷类作物多。籽粒不同部分的营养成分含量不同,胚乳含淀粉最多,达80%以上; 胚内含油量最高,占胚重的30%~54%。3.2种子玉米籽粒力学特性种子玉米在脱粒过程中,要受到脱粒机的挤压、撞击、揉搓、冲击和剪切等外力作用,种子玉米籽粒的损伤与这些外力密切相关。这些外力使玉米破碎率增加,而籽粒的宏观破坏折断、开裂、削损的籽粒,果皮上有细小碰伤,擦伤的籽粒,头发丝那样的细裂纹和失去表皮的斑点与微观破坏内部裂纹的存在降低了玉米的品质及其经济价值,带有内部裂纹的种子玉米籽粒机械强度降低,当玉米在后续加工过程中再受力时,裂纹极易扩展,导致玉米破碎率增加。如果裂纹扩展到了种皮,裸露的淀粉吸湿性强,具有较低的平衡相对湿度,则增加了病虫和霉菌侵袭的敏感性,缩短储存期。同时裂纹也损伤了种子的结构,使种子的发芽率和生活力都有不同程度的降低。另外,当外力作用于同一籽粒时,不同的作用力大小,不同的施力部位,不同的施力方向,其损伤程度差异也很大,这就给研究工作带来诸多不便。因此,研究种子玉米籽粒的力学特性,获得种子玉米籽粒在不同施力条件下的损伤机理,从而为改进脱粒工艺、减少玉米破碎率提供理论依据,具有现实意义。美国科学家L.A.Balastreire,F.L.Herum等对种子玉米籽粒力学特性作了大量的研究,主要是对籽粒中胚、粉质胚乳和角质胚乳的力学特性进行研究,我国吉林工业大学农机工程学院的赵学笃等对玉米籽粒三个面的力变形关系作了研究。吉林农业大学的袁月明等对籽粒的几何特征和抗破裂性进行了试验研究,并对籽粒中胚、粉质胚乳和角质胚乳的力学特性也进行研究。中国农业大学工学院的冯和平等也对含水率、干燥温度和应力裂纹对玉米力学性能的影响进行了试验研究。但对于不同含水率下不同品种的整个玉米籽粒的三个面来进行综合研究以及施力方向与裂纹产生规律的研究未见报道。从种子玉米籽粒生理特性分析,我们已经知道: 玉米籽粒各组成部分形态、结构差异很大,影响因素也很多。就籽粒而言,它的4个组成部分果种皮、胚、粉质胚乳和角质胚乳间的结构及力学性能差异较大,属于复合生物材料,很难将其加工成试样研究它的力学特性。所以本节采用不同含水率下不同品种的整个种子玉米籽粒来进行研究。我国种植最多的玉米是马齿型、半马齿型,其次是硬粒型,甜质型、糯质型、爆裂型等只有零星种植,因而本试验仅对马齿型与半马齿型玉米进行研究。3.2.1试验准备1. 试验材料
试验种子玉米为富油1号、东单1号和农大108,来自辽宁东亚种子公司,人工收获,手工脱粒。收获时含水率分别为26%、25.8%、26.2%,分别处理含水率至:10.4%,小于12%的低含水区,相当于十分干燥的籽粒;13.5%,12%~14%的标准含水区。相当于可入仓的籽粒;15.6%,14%~18%的中含水区,相当于受潮或未晒干的籽粒;18.4%,18%~20%的中含水区,相当于低湿度的籽粒;21.9%,20%以上的高含水区,相当于收获期的籽粒。
图310灯箱
1玻璃盖; 2灯泡
干后种子玉米籽粒样品的裂纹在灯箱上观察。可用毛玻璃制作一个灯箱,将种子玉米籽粒带胚的一侧朝向灯源,放置在玻璃上,来观察其内部裂纹,见图310。随机从未有损伤的饱满籽粒中抽取样品,灯箱检查无明显内部裂纹出现后,拿来进行试验。
2. 试验设备试验设备有: LDS微机控制电子拉压试验机,如图311所示; 1241谷物品质分析仪近红外快速品质分析仪,如图312所示。
图311LDS微机控制电子拉压试验机
图3121241谷物品质分析仪
3. 试验方法在进行种子玉米籽粒损伤机理研究的试验中,采用准静态压缩损伤试验方式。做准静态压缩损伤试验时,将种子玉米籽粒放在LDS微机控制电子拉压试验机图311下压缩板的中央部位,下压缩板静止不动。上压缩板的压头从上向下缓慢匀速运动,每次放一粒。LDS微机控制电子拉压试验机加载速度为5mmmin,上压缩板的压头接触到玉米籽粒时,电子显示屏开始显示压力数据,压力变化比较快,当玉米籽粒破裂时,压力骤减而自动停机,此时按试验机记录仪上的峰值键,显示窗口显示最大试验力值,记下该值。4. 试验设计与分析选取玉米品种、籽粒放置方式、含水率三个因素,把玉米籽粒破裂时所受的最大破裂力作为试验指标,采用三因素随机区组试验,见表31。籽粒放置方式包括立放、侧放、平放三种,如图313所示,立放时的受力面为顶面,侧放时的受力面为侧面,平放时的受力面为腹面。
图313压缩损伤实验中籽粒的放置方式
(a) 侧放; (b) 立放; (c) 平放
表31种子玉米籽粒准静态压缩损伤试验处理与结果
品种放置方式含水率%最大破裂力N1次2次3次平均值
东单1号立放侧放平放10.420823119721213.518819417618615.616317918017418.4153164165160.6721.911213012112110.4254247262254.3313.5235233239235.6715.6222240220227.3318.421119921420821.9145132147141.3310.449847947548413.546746544545915.6408389401399.3318.4325333331329.6721.9291304310301.67续表
品种放置方式含水率%最大破裂力N1次2次3次平均值
富油1号立放侧放平放10.4220205215213.3313.5203197207202.3315.618516016817118.415516515715921.9126120118121.3310.425726226126013.5244251239244.6715.6217222216218.3318.4206199211205.3321.9160156148154.6710.4522498493504.3313.5439444432438.3315.6398404412404.6718.4326357348343.6721.9298321309309.33农大108立放侧放平放10.4278279269275.3313.525326125725715.6223209208213.3318.4178199177184.6721.9162158168162.6710.432130531931513.5299304289297.3315.628728126927918.4266255269263.3321.9227231233230.3310.4572499557542.6713.552953151252415.6498503479493.3318.443645546245121.9362398392384
为了测定各因素水平变化对试验结果有无显著影响以及各因素对试验指标影响的显著性水平,应用SAS统计分析软件对所做种子玉米籽粒准静态压缩试验结果作方差分析,根据方差分析结果,可以判断各因素对最大破裂力指标影响的显著性。其结果见表32~表34。
表32种子玉米籽粒最大破裂力方差分析模型显著性检验表
方差来源自由度平方和均方F值尾概率PrF
模型461846872.20740149.396328.03F
a品种2120439.65960219.830492.01

 

 

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