PENERAPAN BIOMIMETIC DALAM DESAIN PERALATAN PERTANIAN

Review Jurnal Biotechnology and Molecular Biology Reviews Vol. 4 (2), pp. 042-048, April 2009 Available online at http://www.academicjournals.org/BMBR ISSN 1538-2273 © 2009 Academic Journals

PENERAPAN BIOMIMETIC DALAM DESAIN PERALATAN PERTANIAN Morfologi permukaan tubuh hewan penggali tanah sangat efisien sebagai anti adhesi dan anti friction. Kondisi ini menyebabkan binatang tersebut dapat menggali dan berjalan di atas tanah tanpa mengalami efek kelengketan tanah (soil sticky). Morfologi permukaan tubuh binatang penggali tanah tersebut tidak halus, tetapi berbentuk seperti dome, berlekuk-lekuk maupun bergelombang. Berdasarkan fenomena tersebut, peralatan yang kontak langsung dengan tanah sebaiknya didesain berdasarkan ciri-ciri morfologi permukaan hewan tersebut yang sangat efisien sebagai anti adhesi, antifriction dan anti abrasi pada tanah (Thong et al., 2004). Hewan penggali tanah seperti kumbang tanduk, kumbang tanah dan tikus memiliki pola hidup yang tidak sama dengan binatang-binatang yang hidup di tanah dan air. Adaptasi yang terjadi secara alami pada lingkungan yang sulit menyebabkan mereka memiliki kekhususan morfologi permukaan tubuh, komposisi kimia, biolectricity, sekresi dan fleksibilitas pergerakan kulit. Keunikan dari pola hidup hewan penggali tanah dalam menjalankan aktivitasnya dapat digunakan dalam mendesain alat-alat yang bekerja dengan cara kontak langsung dengan tanah. 1.

Morfologi struktur permukaan tubuh kumbang dalam mengurangi kelengketan tanah Secara geometris tekstur permukaan-permukaan tubuh kumbang tanduk memiliki dome-dome kecil dan lembah kecil di permukaannya, bergelombang dan bersisik (Gambar 1). Menurut Moayad (2004), dome-dome pada permukaan tubuh kumbang tanduk berbentuk kurva. Dengan morfologi permukaan tubuh tersebut gaya tarik menarik antara molekul air dan permukaan tubuh kumbang sangat kecil.

Gambar 1. Struktur tesktur permukaan tubuh 4 jenis kumbang Abdul Roni Angkat, S.TP, M.Si (Widyaiswara Muda - Balai Pelatihan Pertanian Jambi)


Selain itu sudut kontak air pada punggung kumbang antara 91o – 106.5 o, atau rata-rata 97.2o (Gambar 2). Bentuk sudut yang lebih besar dari 90o, menyebabkan permukaan kontak dengan air semakin kecil yang menunjukkan kumbang memimilki sifat hydrophobia (takut air).

Gambar 2. Sudut kontak air pada permukaan kulit pronotum kumbang tanduk

Perpaduan antara tekstur permukaan tubuh secara geometri dan sifat hydropobia mencegah kelengketan tanah pada permukaan tubuh kumbang. 2.

Pergerakan ulat dan cacing tanahyang menimbulkan gaya peristaltik Pergerakan dari ulat yang merayap mengunakan tubuhnya menimbulkan gaya peristaltik memberikan inspirasi bagi Yao et al, (2001) untuk mendesain sebuah mekanisme gerak bolak-balik pada kendaraan berdasarkan gerakan menekan dan menarik udara menggunakan hidrolik. Pola gerakan ulat pada saat berjalan dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Pola gerakan ulat pada saat berjalan

Berbagai macam pola grakan dapat dihasilkan melalui gerakan menekan dan menarik pada slinder hidraulik. Menurut Moayad (2004), pergerakan yang terjadi dapat maju mundur atau ke kiri dan ke kanan. Abdul Roni Angkat, S.TP, M.Si (Widyaiswara Muda - Balai Pelatihan Pertanian Jambi)


3.

Gerakan menggali tanah pada kaki jangkrik dan cakar tikus Kaki jangkrik dan cakar kaki pada tikus yang digunakan untuk menggali tanah memberikan inspirasi untuk mendesain alat pemotong tanah yang mengikuti lekukan dari bentuk kaki jangkrik atau cakar tikus seperti subsoiler, bajak dan pembuka alur. Menurut Tong et al. (2004), variasi lekukan alat pemotong tanah yang kontak langsung dengan tanah merupakan faktor penting yang mempengaruh kualitas kerja. Gaya reaksi tanah terhadap alat dipengaruhi oleh berat alat dan jenis tanah. Gaya

yang dialami pada saat pemakainan alat/mesin meliputi gaya adhesi dan friction tanah.Besarnya adhesi dan friction tanah pada alat sangat dipengaruhi oleh kadar air tanah. Peningkatan adhesi tanah tertinggi terjadi pada konsistensi tanah berada diantara batas plastis dan batas cair. Salah satu cara untuk mengurangi gaya adhesi yang terjadi pada alat, dengan mendesain permukaan alat sesuai dengan morfologi struktur permukaan tubuh hewan penggali tanah yang dapat mengurangi resistasansi tanah (adhesi, friction dan abrasi). Beberapa hasil penelitian mengenai aplikasi strukrur permukaan yang tidak rata dalam rancangan berdasarkan morfologi struktur permukaan tubuh pada hewan penggali tanah, yaitu : 1.

Ren et al. (1995a), mengaplikasikan morfologi permukaan kepala kumbang tanduk yang menyerupai dome pada plate buldozer yang dapat mengurangi tahanan luncur rata-rata sebesar 13.2% dengan nilai maksimum mencapai 18.02% dibandingkan dengan plate konvensional. Dome yang dibuat pada plate mempunyai diameter 25 mm dan tinggi 7 mm. dome-dome disusun pada plate secara parallelogram.

2.

Ren et al. (1995b), menggunakan distribusi pengaturan dome pada blade buldozer menggunakan persamaan yang dihasilkan oleh Li et al. (1995) sebagai berikut : = −0.243 + 0.1692 dengan diameter dasar berkisar dari 0.033 – 0.749 mm yang mengikuti distribusi Gaussian.Dome dibuat menggunakan baja karbonyang disusun pada blade plate buldozer.Pengujian dilakukan pada tanah liat dengan kadar air 27% bk dan kecepatan maju alat 13.33 – 58.82 mm/s. resistansi tanah berkurang pada semua kecepatan dengan pengurangan yang significant pada kcepatan tinggi.

3.

Ren et al. (2003), pengujian dengan menggunakan beberapa blade dengan dome yang mempunyai jumlah, diameter, tinggi dan pennyusunan yang berbeda. Pengujian dilakukan pada tanah kadar air 28.25% d.b. yang mempunyai kadar air batas plastis dan batas cair sebesar 22.62% d.b. dan 36.33% d.b. Penelitian ini menghasilkan penurunan

Abdul Roni Angkat, S.TP, M.Si (Widyaiswara Muda - Balai Pelatihan Pertanian Jambi)


resistansi tanah mencapai 32.9% dengan menggunakan dome berdiameter 40 mm, tinggi 4 mm yang disusun secara teratur dengan jarak antara pusat dome 50 mm.Draft pada permukaan yang halus meningkat secara significant, sedangkan pada permukaan yang tidak kasar daraft meningkat secara tetap (Gambar 4).

Gambar 4. Hubungan antara gaya draft pada permukaan yang halus dan kasar Sample No. 7 : Permukaan yang halus Sampel No.1 : Permukaan yang kasar

4.

Vander Straeten et al. (2004), menggunakan 10 plate dengan dome yang mempunyai diameter berkisar dari 3 – 32 mm dan tinggi berkisar dari 3 – 8 mm yang disusun secara hexagonal dan parallelogram yang menutupi 43 – 66 % luasan plate buldozer. Penelitian ini menghasilkan dome yang disusun secara hexagonal dapat mengurangi resistansi tanah per unit sebesar 18.5%. Nilai ini lebih besar dua kali lipat dibandingkan dome yang disusun secara parallellogram.

5.

Pernyataan Straeten et.al. (2004) yang menyatakan penyusunan yang terbaik berbentuk hexagonal tidak dapat diterima, karena pengujiannya menggunakan jenis tanah yang berbeda dengan Ren et.al. (1995a). Straeten et.al. (2004) menggunakan tanah lempung dengan kadar air 5% dengan komposisi liat 20%, debu 70%, pasir 10%. Sedangkan Ren et.al. (1995a) menggunakan tanah liat dengan kadr air 27.8%.

6.

Qaisrani et.al. (1993), melakukan penelitian pengaruh bahan pembuat blade terhadap penguragan resistansi tanah. Blade yang dibuat menggunakan Baja-45 dan ultra high molecular weight polyethilene (UHMWPE). Dome diatur dengan menngunakan 6 pola seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5.



Gambar 5. Pattern penyusunan dome pada blade

Penelitian ini menghasilkan bahwa blade yang terbut dari bahan UHMWPE dapat mengurangi resistansi tanah sampai pada 34 5 dibandingkn baja yang hanya sebesar 15%. Hal ini disebabkan gaya adhesi dan gaya friction pada UHMWPE lebih rendah dibandingkan dengan baja, hanya abrasi yang terjadi lebih besar jika kontak langsung dengan tanah yang mempunyai tekstur pasir. Oleh karena itu UHMPWE tidak banyak digunakan dibandingkan dengan baja. Hasil-hasil penelitian yang dihasilkan masih dianggap tidak kosisten karena beberapa faktor yaitu : - Adhesi tanah dipengaruhi oleh teksture tanah, kadar air, tegangan air, poritas dan kandungan bahan organik. - Peningkatan komposisi kandungan liat pada tanah cenderung meningkatkan adhesi tanah dan tertinggi ketika kadar air tanah berada diantara batas plastis dan batas cair. - Peningkatan tegangan air tanah meningkatkan adhesi tanah - Bentuk geometri dan jenis bahan yang digunakan untuk membuat dome merupakan faktor yang penting untuk ketelitian dari hasil penelitian. Tindak lanjut dari hasil-hasil penelitian yang ada dapat dilanjutkan dengan mengembangkan analisis yang diperlukan untuk dapat menyimpulkan aplikasi Biomimetics secara akurat dengan cara : - Functional analysis Kajian mengenai sistem-sistem fisiologi yang alamiah harus memperhatikan mekanisme fungsional yang menggerakkan fungsi biomekaniknya. Beberapa pertanyaan yang relevant adalah : apa fungsinya? Untuk apa? Bagaimana sistem fungsionalnya bekerja? Abdul Roni Angkat, S.TP, M.Si (Widyaiswara Muda - Balai Pelatihan Pertanian Jambi)


- Morphological analysis Tujuannya adalah untuk memahami kenapa sampel harus dalam bentuk yang spesifik, dengan memperhatikan hubungan antara geometri dan tekstur dari sampel. - Struktural analysis Tujuannya untuk mengelola unsur-unsur alami yang mencakup bagian unsur-unsur pokok dan kemampuannya mengalami tekanan yang harus diverifikasi dalam suatu model yang alamiah. - Analysis of viability Bertujuan untuk melihat keberlanjutan hasil penelitian dilanjutkan menjadi sebuah karya nyata, melalui evaluasi dan pengamatan pada semua aspek-aspek yang terkait.

REFERENCE Brackenbury J (1999). Fast locomotion in caterpillars. J. Insect Physiol. 45 (6): 525-533. Greenwood JA, Johnson KL (1998). An alternative to the Maugismodel of adhesion between elastic spheres. J. Phys. D: Appl. Phy., 31: 3279-3290. Jia X (2004). Theoretical analysis of adhesion force of soil to solid materials. Biosystem Engineering 87(4): 489-493. Li J, Ren L, Chen B (1995). The statistics analysis and mathematical analogy of the unsmoothed geometrical units on the surface of soil animal. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 11(2): 1-5 Liu G, Zhang Y, Wang R (1997). The color illustrated of common Lamellicornia beetle of Northern China. China Forestry Press. Moayad BZ (2004). Biomimetic design and experimental research of Resistance-reducing surfaces of soil-tool systems. PhD dissertation, Jilin University, Changchun, China. Qaisrani AR, Tong J, Ren L, Chen B (1993). The effects of unsmoothed surfaces on soil adhesion and draft of bulldozing plates. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 9(1): 7-13. Rabinowicz E (1995). Surface Interactions, Friction and Wear of Materials. Second Edition, A Wiley-Interscience Publication. Ren L, Deng S, Wang J, Han Z (2004). Design principles of the nonsmooth surface of bionic plow moldboard. J. Bionics Eng. 1(1): 919. Ren L, Han Z, Li J, Tong J (2003). Effects of non-smooth characteristics on bionic bulldozer blades in resistance reduction against soil. J. Terramechanics 40(4): 221-230. Ren L, Li J, Chen B (1995b). Unsmoothed surface on reducing resistance by bionics. Chinese Sci. Bull. 40(13): 1077-1080.



Ren L, Tong J, Zhang S, Chen B (1995a). Reducing sliding resistance of soil against bulldozing plates by unsmoothed bionics surfaces. J. Terramechanics 32(6): 303-309. Ren LQ, Tong J, Li JQ, Chen BC (2001). Soil adhesion and biomimeyic of soil-engaging components: A Review. J. Agric. Eng. Res. 79(3): 239-263. Tong J, Moayad BZ, Ren L, Chen B (2004). Biomimetic in soft terrain machines: A Review. Int. Agric. Eng. J. 13(3): 71-86. Tong J, Ren L, Chen B (1995). Chemical constitution and abrasive wear behavior of pangolin scales. J. Mater. Sci. Lett. 14(20): 1468-1470. Tong J, Sun J, Chen D, Zhang S (2005). Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applicationsin tillage implements. Soil Tillage Res. 80(1-2): 1-12. Vander Straeten P, Destain MF, Verbrugge JC (2004). Bionic improvement of soil bulldozing plates. J. Design and nature II, 545- 553. Wilson KJ, Andrea SG (2004). Methodology for product design based on the study of bionics. Materials and Design, 26 (2): 149-155. Yao S, Zhang L, Chen J, Chen B, Zhang L (2001). Study on the structural design and walking principle of push-pull air cushioned platform vehicle. Natural Sci. J. Jilin Univ. Technol. 31(1): 1-5.


PENERAPAN BIOMIMETIC DALAM DESAIN PERALATAN PERTANIAN

Recommend Documents