Diseños biomiméticos: Una alternativa para reducir la adhesión suelo-metal y la demanda de energía de órganos de remoción de suelo

Tesis de maestría para obtener el grado de Magister of Science en Mecanización Agraria ,presentada en la Universidad Nacional de La Plata, en enero de 2021

La adhesión del suelo sobre la superficie de los órganos de laboreo representa uno de los principales factores críticos junto a la resistencia al deslizamiento y al desgaste por abrasión. Afecta el rendimiento de numerosas máquinas agrícolas, civiles y de movimiento de suelos, aumentando el consumo de energía con consecuencias negativas sobre los costos de producción y el ambiente. En la historia del diseño de maquinaria agrícola fueron empleadas distintas estrategias para minimizar su impacto, la modificación de la superficie, la reducción del área de contacto, la utilización de distintos materiales y métodos físicos, la lubricación, la electro-ósmosis y el empleo de vibraciones. En los últimos años comenzaron a desarrollarse tecnologías para disminuir la adhesión del suelo sobre los órganos de remoción empleando el enfoque biomimético. La biomimética es definida como una disciplina que engloba el estudio de las propiedades funcionales de los sistemas biológicos para el desarrollo de nuevas tecnologías. A partir de la observación de las características anti-adhesivas de los insectos de suelo, específicamente la cutícula de la cabeza y del tórax del bicho torito hembra (Diloboderus abderus) se diseñó una superficie para ser aplicada en órganos que actúen en remoción del suelo. Este trabajo pretende determinar la relación entre dos variables: la fuerza de adhesión normal y la humedad gravimétrica del suelo y por otro lado establecer la influencia sobre la demanda de tracción al modificar la topografía de la superficie metálica. Se realizó un ensayo de laboratorio con el fin de cuantificar la adhesión normal y otro ensayo a campo, utilizando un carro dinamométrico, para determinar la demanda de tracción de una púa con diseño biomimético y una púa lisa. La modificación de la superficie metálica redujo la adhesión normal del suelo sobre el metal y fue influenciada por el valor de humedad del suelo. También se manifestó como una diferencia en la demanda de tracción.

Soil adhesion to the surface of tools represents one of the main critical factors of tillage performance, together with sliding resistance and abrasion. It affects the performance of numerous agricultural, civil and soil movement machines, increasing energy consumption with negative consequences on production costs and the environment. Different design strategies have been employed to minimize these negative impacts, such as surface modification, contact area reduction, use of different materials and physical methods, such as lubrication, electro-osmosis and vibrations. In the last years, a new design strategy, based on biological systems (biomimetics), began to evolve as an alternative to reduce adhesion in soil tillage tools, by studying biological surfaces with anti-adhesive properties. A surface suitable for soil engaging tools was developed based on the non-adhesive properties of the head and thorax cuticle of the female scarab beetle Diloboderus abderus. The aim of this work is to determine the relationship between normal adhesion strength and gravimetric soil moisture and to establish how the traction demand changes when the topography of the metal surface is modified using a biomimetic design. In order to compare the draft force between a shovel with a biomimetic design and one with a smooth design, normal adhesion was quantified both in a laboratory and field tests. It was found that the biomimetic design reduced the normal adhesion of the soil to the metal, and this result depended on the soil moisture value. It was also verified that the biomimetic design needs a smaller draft force requirement.

Instituto de Ingeniería Rural

Fil: Venturelli, Leonardo. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Ingeniería Rural; Argentina