Передние голени жука-носорога обыкновенного (Oryctes nasicornis (Linnaeus, 1758) как бионический прототип для моделирования стрельчатых лап культиваторов

  • Олег Викторович Синчук Белорусский государственный университет https://orcid.org/0000-0003-2845-1180
  • Дмитрий Георгиевич Жоров Белорусский государственный университет

Аннотация

Рассмотрены основные принципы бионического моделирования и проектирования как важной части экологического знания. Указана важность использования бионического дизайна как регенеративного подхода в проектировании деталей и их отдельных элементов. Подчеркивается значимость использования природных объектов для создания принципиально новых технических решений и адаптации отдельных элементов в уже созданные технологии в сельском хозяйстве. Приводятся сведения о возможности использования голеней жука-носорога обыкновенного (Oryctes nasicornis (Linnaeus, 1758) для бионического моделирования стрельчатых лап культиваторов. С этой целью рассмотрены части насекомого – передние голени, которые испытывают наибольшую нагрузку при движении в органическом субстрате растительного происхождения или формирующейся почвенной среде. Выбор бионического аналога обусловлен подобием выполняемых функций и износостойкостью. При этом приведены сведения о механике перемещения насекомого и некоторых особенностях биологии. Рассмотрены уникальные морфологические особенности голени жука-носорога, в частности, их адаптированная форма и функциональные характеристики. Указывается наличие у рабочей части голеней закруглённых к вершине зубцов. В пространстве между зубцами имеются округлые, уплощенные к краю выемки. Электронная сканирующая микроскопия позволила установить скульптуру поверхности зубчатого края голеней. Морфология поверхности рабочей части голени имеет пористое строение. Отдельные линии формируют извитые канальцы различной глубины. Анализ элементного состава позволил выявить наличие алюминия в структуре внешнего скелета зубчатого края голеней. Для объективной оценки и разработки наиболее эффективных технологических решений предлагается проанализировать аналогичные части ног представителей семейства Scarabaeidae. По результатам исследований выдвигается гипотеза по использованию зубчатого края голеней жука-носорога при проектировании стрельчатых лап культиваторов, путем создания наплавки или накладок из износостойких материалов на рабочую поверхность. При этом общая структура голени может служить объектом для адаптации и создания принципиально новых решений в земледельческой механике, характеризуясь при этом высокой эффективностью, износостойкостью и экологичностью.

Биографии авторов

Олег Викторович Синчук, Белорусский государственный университет

старший преподаватель кафедры физической географии мира и образовательных технологий, факультет географии и геоинформатики; сокоординатор межкафедрального центра – кафедры ЮНЕСКО по естественнонаучному образованию.

Дмитрий Георгиевич Жоров, Белорусский государственный университет

кандидат биологических наук, доцент кафедры физической географии мира и образо- вательных технологий, факультет географии и геоинформатики; заместитель начальника Главного управления науки – начальник отдела аспирантуры и докторантуры.

Литература

  1. Li M, Yang Y, Guo L, Chen D, Sun H, Tong J. Design and analysis of bionic cutting blades using finite element method. Applied Bionics and Biomechanics. 2015:1–7. DOI: https://doi.org/10.1155/2015/471347.
  2. Hayes S, Desha C, Baumeister D. Learning from nature – Biomimicry innovation to support infrastructure sustainability and resilience. Technological Forecasting and Social Change. 2020;161:120287. DOI: https://doi.org/10.1016/j.techfore.2020.12.
  3. Blok V. Biomimicry and the materiality of ecological technology and innovation: toward a natural model of nature. Environmental Philosophy. 2016;13(2):195–214. DOI: https://doi.org/10.5840/envirophil201692035.
  4. Forbes P. The Gecko’s Foot. Bio-inspiration–Engineered From Nature. London: Fourth Estate; 2005. 292 p.
  5. Myers W. Biodesign: Nature, Science, Creativity. London: Thames & Hudson; 2012. 304 p.
  6. Harman J. The Shark’s Paintbrush. Ashland: White Cloud Press; 2014. 326 p.
  7. Benyus JM. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York: Harper Perennial; 2002. 308 p.
  8. Азаренко ВВ, Голдыбан ВВ, Бегун ПП. Методические подходы передачи решений от биологии к инженерии. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2023;56:3–8.
  9. Benyus JM. A biomimicry primer. Biomimicry 3.8 Resource Handbook. Missoula: Biomimicry Group Inc.; 2011. 280 p.
  10. Li G, Meng H. Overview of crack self-healing. Recent Advances in Smart Selfhealing Polymers and Composites. 2015:1–19. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-1- 78242-280-8.00001-7.
  11. Kumar Ramesh V, Bhuvaneshwari B, Maheswaran S, Palani SG, Ravisankar K, Iyer NR. An overview of techniques based on biomimetics for sustainable development of concrete. Current Science. 2011;101(6):741–747.
  12. Reap J, Baumeister D, Bras B Holism, biomimicry and sustainable engineering. In: ASME International Mechanical Engineering Conference and Exposition, 2005 November 5–11. Orlando: [publisher unknown]; 2005. p. 423–431. DOI: https://doi.org/10.1115/ IMECE2005-81343.
  13. Pedersen Zari M, Storey JB. An ecosystem based biomimetic theory for a regenerative built environment. In: International Conference on Sustainable Construction, Materials and Practices: Challenge of the Industry for the New Millennium, 2007 September 12–14. Lisbon: IOS Press; 2007. p. 620–627.
  14. Reap JJ. Holistic Biomimicry: A Biologically Inspired Approach to Environmentally Benign Engineering. ProQuest Dissertations Publishing Dissertation/Thesis. Atlanta: Georgia Institute of Technology; 2009. 899 p.
  15. De Pauw IC, Karana E, Kandachar P, Poppelaars F. Comparing biomimicry and cradle to cradle with ecodesign: a case study of student design projects. Journal of Cleaner Production. 2014;78:174–183. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.04.077.
  16. Бабицкий ЛФ, Москалевич ВЮ, Соболевский ИВ. Развитие бионического направления в земледельческой механике. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017;4:69–74.
  17. Zhang Z, Wang X, Tong J, Stephen C. Innovative design and performance evaluation of bionic imprinting toothed wheel. Applied Bionics and Biomechanics. 2018. p. 1–11. DOI: https://doi.org/10.1155/2018/9806287.
  18. Maohua X, Kaixin W, Wang Y, Weichen W, Feng J. Design and Experiment of Bionic Rotary Blade Based on Claw Toe of Gryllotalpa orientalis Burmeister. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery. 2021;52(2):55–63.
  19. Голдыбан ВВ. Использование бионических принципов при решении отдельных задач земледельческой механики. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2022;55:36–40.
  20. Голдыбан ВВ, Синчук ОВ, Ткаченко ГА, Курилович МИ. Исследование мандибул черного садового муравья в качестве бионической модели для повышения надежности культиваторных лап. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2022;55:251–258.
  21. Sinchuk AV, Logachev MA. Prospects of using the mandibles of the black garden ant (Lasius niger (Linnaeus, 1758)) in designing wear-resistant working surfaces of cultivator rake tines. Young scientist. 2024;1:261–265.
  22. Синчук ОВ, Логачёв МА, Лисовская ЕИ. Перспективы использования личинок обыкновенного муравьиного льва как бионического прототипа для проектирования износостойких рабочих поверхностей стрельчатых лап культиваторов. В: Проблема оценки, мониторинга и сохранения биоразнообразия. Материалы пятой Республиканской научно-практической экологической конференции, г. Брест, 23 ноября 2023 г. Брест: БрГУ; 2023. с. 273–276.
  23. Медведев СИ. Пластинчатоусые (Scarabaeidae). Подсем. Euchirinae, Dynastinae, Glaphyrinae, Trichiinae. Москва; Ленинград: Изд. АН СССР; 1960. 399 с. Серия Фауна СССР. Жесткокрылые.
  24. Семёнов-Тян-Шанский АП, Медведев СИ. Жуки-носороги (Oryctes I11.) русской и среднеазиатской фаун (Coleoptera, Scarabaeidae). Ежегодник Зоологического музея Академии Наук СССР. 1931;32(4):481–502.
  25. Шиленков ВГ. Редкие жужелицы (Coleoptera, Carabidae) Байкальского региона и принципы охраны насекомых. Известия Иркутского государственного университета. Серия Биология. Экология. 2010;3(1):37–41.
  26. Емцев АА, Берников КА, Акопян ЭК. О расширении границ ареалов некоторых видов животных в северной части Западной Сибири. Мир науки, культуры, образования. 2012;6:471–477.
  27. Медведев СИ. Личинки пластинчатоусых жуков. Москва; Ленинград: Издательство АН СССР; 1952. 342 с.
  28. Николаев ГВ. Пластинчатоусые жуки (Coleoptera, Scarabaeoidea) Казахстана и Средней Азии. Алма-Ата: Наука; 1987. 232 с.
  29. Aleksandrowicz O, Pisanenko A, Ryndevich S, Saluk S. The check-list of Belarus Coleoptera. Słupsk: Pomeranian University; 2023. 189 p.
  30. Соболевский ИВ. Бионическое обоснование конструкции ротационного рыхлителя почвы. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2019;20:78–90.
  31. Бабицкий ЛФ, Соболевский ИВ, Куклин ВА, Исмаилов ЯН. Теоретические предпосылки к бионическому обоснованию параметров рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2018;6:121–127.
  32. Соболевский ИВ. Исследования качества поверхностной обработки почвы упругими S-образными стойками с регуруемой жесткостью культиватора-плоскореза КПП-3. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2020;21:106–116.
  33. Chinary M. Collins guide to the insects of Britain and Western Europe. London: Collins; 1993. 320 p.
  34. Просвиров АС. Атлас жуков средней полосы России. Москва: Издательство «Фитон XXI»; 2018. 272 с.
  35. Zhang Y, Zhou C, Ren L. Biology Coupling Characteristics of Mole Crickets’ Soil-Engaging Components. Journal of Bionic Engineering. 2008;5:164–171. DOI: https://doi.org/10.1016/s1672-6529(08)60089-x.
  36. Ткаченко ГА, Синчук ОВ, Голдыбан ВВ, Ковальчук АВ. Повышение надежности культиваторных лап за счет упрочнения рабочих поверхностей на основе бионического подхода. В: Современные технологии для заготовительного производства [Интернет]. Сборник научных работ Республиканской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов МТФ БНТУ, 14 апреля 2021 г. Минск: БНТУ; 2021:149–151.
Опубликован
2024-08-07
Ключевые слова: бионика, экоинновации, земледельческая механика, прикладная биология, сельское хозяйство, Scarabaeidae
Поддерживающие организации Исследования проводились в рамках выполнения НИР «Исследование износостойких биоинспирированных рабочих поверхностей стрельчатых лап культиваторов для ухода за посадками овощных культур» ГПНИ «Сельскохозяйственные технологии и продовольственная безопасность». Авторы приносят благодарность Центру коллективного пользования уникальным научным оборудованием «Белорусский межвузовский центр обслуживания научных исследований» физического факультета БГУ и лично ведущему инженеру радиационной и вакуумной аппаратуры сектора обслуживания научных исследований С. В. Гусаковой за оказанную помощь в проведении исследований методами электронной микроскопии.
Как цитировать
Синчук, О., & Жоров, Д. (2024). Передние голени жука-носорога обыкновенного (Oryctes nasicornis (Linnaeus, 1758) как бионический прототип для моделирования стрельчатых лап культиваторов. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 2, 15-23. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/6222
Выпуск
№ 2 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Экология
Раздел
Изучение и реабилитация экосистем