东方蝼蛄（Gryllotalpa orientalis Burmeister）：特征、功能、力学及其仿生分析

仿生学的出现为科学技术创新提供了新思路、新原理和新方法。 土壤动物经历了亿万年的演化,其肢体几何外型的形态都能适应其在土壤中的生存环境。东方蝼蛄经过数亿年进化,集疾走、游泳、飞行、挖洞和鸣叫于一身,是“五项全能”的土壤动物。它能在稀泥里钻洞而不沾泥,独特的挖掘足有很高的掘土效率,因此分析东方蝼蛄的形态学特征,揭示其特性规律,具有重要学术价值和在农业机械土壤工作部件上的应用前景。 研究了东方蝼蛄成虫躯体相对几何尺寸特征,测量并计算了东方蝼蛄的体足分布系数。使用3D激光扫描系统获得东方蝼蛄躯体外形轮廓点云,在Imageware软件中进行模型重构;提取东方蝼蛄主要部位的特征曲线,用Matlab进行曲线拟合与分析。采用体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪以及水润湿角测量仪,研究东方蝼蛄各部位材料的断面形态,表皮成分,表面微观形态,刚毛特征,并获得各部位表面的润湿性能;利用纳米力学测试系统测量东方蝼蛄前足爪趾和口器的表皮纳米力学性能,比较东方蝼蛄与其它生物材料的纳米力学性能。为研究东方蝼蛄特有挖掘足爪趾的结构性能,在ANSYS软件中,导入东方蝼蛄爪趾的立体模型,对东方蝼蛄爪趾进行静力学仿真,研究东方蝼蛄爪趾受力变形状态。参照东方蝼蛄爪趾曲线,设计出挖掘机仿生模型斗齿,与挖掘机传统斗齿进行对比,对仿生模型斗齿进行力学仿真分析。设计并运用FDM-Dimension快速成型设备加工挖掘机仿生斗齿和传统斗齿,进行两种斗齿的挖掘阻力对比试验,验证了仿生斗齿的结构优势。