利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法

摘要

本发明提供一种利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法，包括神农洁蜣螂表皮取样及预处理、神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵横向三维断面结构提取、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵横轴截面轮廓曲线提取、沙丘状凸包仿生结构单元的单体曲面重构、沙丘状凸包仿生结构单元的群体排布设计等六个步骤。与现有技术相比，（1）本发明直接以神农洁蜣螂迎土面体表上的沙丘状各向异性凸包为几何原型设计沙丘状凸包仿生结构单元的方法，在结构及功能仿生上更接近生物原型；（2）本发明将理想的“自然选择”结构用于人造耕作机具，具有较强的可操作性及应用价值。

说明书

技术领域

本发明提供一种利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法，属于仿生脱附减阻技术领域。

背景技术

“生物非光滑”是自然界普遍存在的典型现象，昆虫、植物、鱼类、鸟类、贝类等表现出各种类型的非光滑表面，已知的生物非光滑表面具有脱附、减阻、自洁、降噪、伪装、耐磨、抗氧化等多种功能。在生物非光滑表面众多已知的独特机能中，当属脱附、自洁最吸引人类关注和学习。例如，具有微纳乳凸的荷叶能够“出淤泥而不染”，表皮凸凹不平的蜣螂能够在黏湿的粪堆或土壤中行动自如而保持身体清洁。生物非光滑脱附、自洁现象足以引发人类开展仿生研究和工程应用，而利用蜣螂等土壤生物表皮非光滑微观结构设计仿生犁壁便是一种重要的生物仿生应用领域。传统触土部件多为光滑表面，与土壤接触容易粘附从而增加能耗、降低工作效率，仿生犁壁上设有凸包或凹坑，可有效减少土壤接触阻力、降低粘附，对提高耕作机具工作效率、减少能耗具有重要意义。例如专利号为CN201010531289.1的中国专利介绍了一种鼠道犁仿生防粘减阻耐磨犁铲，该犁铲采用了一种凸包高度与包底圆直径之比处于一定数值范围的球冠形凸包；再比如专利号为CN201520234000.8的中国专利公开了一种双圆盘开沟器耦合仿生圆盘结构，亦采用了一种球冠形凸包，并限定了球冠高度与球冠直径的比值范围。

可以看出，目前已知的利用蜣螂等土壤生物表皮微观结构设计凸包型仿生犁壁的方法，出于制造便利性、经济性等方面考虑，多在仿生犁壁表面简化设计出一种球冠形的各向同性型凸包或凹坑结构，而有些蜣螂品种如神农洁蜣螂（洁蜣螂属常见粪食性甲虫），其迎土面体表上长有各向异性型、类似沙漠中稳定沙丘状的非匀称型凸包结构。显然，生物历经长时间进化所衍生出的这种结构是一种“自然选择”的理想结构，必然有其重要研究、利用价值。利用神农洁蜣螂迎土面表皮上的沙丘状各向异性凸包设计凸包型或凹坑型新型仿生脱附减阻犁壁，对于拓展仿生犁壁的功能及品种范围具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法，包括有下列步骤。

第一步：神农洁蜣螂表皮取样及预处理

（A）从购置的神农洁蜣螂成虫干制标本上裁取处于迎土面上的表皮样本，首先对其标记虫体中轴线，再用去离子水冲洗3～5次，然后将洗净的神农洁蜣螂干制表皮样本在2.5%戊二醛溶液中化学固定3～5h，化学固定温度0～4℃，制得神农洁蜣螂固定表皮样本；

（B）将经（A）步骤制得的神农洁蜣螂固定表皮样本采用去离子水清洗6～8次，然后在50～70℃条件下烘干1～2h，制得含水率5%～10%的神农洁蜣螂干燥表皮样本。

第二步：神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量

（A）将第一步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本固定在光学式表面轮廓仪的工作台上，设置光学式表面轮廓仪的扫描参数对神农洁蜣螂干燥表皮样本重复扫描3～5次；

（B）从经（A）步骤扫描后由表面轮廓仪配套处理软件自动生成的测量样本三维表面轮廓图像中选取清晰、无噪点的图像，获得神农洁蜣螂干燥表皮样本的表面轮廓图像。

第三步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横向三维断面结构提取

（A）在第二步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整凸包，从该凸包上获取过凸包最高点且平行于虫体中轴线方向的凸包纵向中轴线，再从该凸包上获取过凸包最高点且垂直于虫体中轴线方向的凸包横向中轴线；

（B）利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包纵向中轴线起，沿垂直于凸包纵向中轴线方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域I，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域I的凸包纵向三维断面结构；

（C）利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包横向中轴线起，沿垂直于凸包横向中轴线方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域II，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域II的凸包横向三维断面结构。

第四步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面轮廓曲线提取

（A）借助表面轮廓仪配套处理软件，将第三步提取出的凸包纵、横向三维断面结构进行二维化截面显示处理，分别得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓原始曲线、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面原始轮廓曲线；

（B）借助表面轮廓仪配套处理软件，对经（A）步骤获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面原始轮廓曲线进行干扰点剔除、曲线平滑处理，分别得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓修正曲线、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。

第五步：沙丘状凸包仿生结构单元的单体曲面重构

（A）借助三维建模软件，以凸包最高点为交点，将第四步获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面轮廓修正曲线进行垂直相交，形成空间相交曲线；

（B）借助三维建模软件，以第四步获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线的两个端点为终点，以神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓修正曲线为母线，以神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线为控制导线，重构出沙丘状凸包仿生结构单元的单体空间自由曲面。

第六步：沙丘状凸包仿生结构单元的群体排布设计

（A）针对仿生犁壁的具体设计尺寸及作业参数，将第五步制得的沙丘状凸包仿生结构单元的单体空间自由曲面进行若干倍数的几何尺寸放大；

（B）按照一定的群体排布方向和群体排布方法，将经（A）步骤放大后的沙丘状凸包仿生结构单元单体空间自由曲面在仿生犁壁犁体曲面上做排布设计，便得到利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计出的仿生犁壁。

所述迎土面上的表皮是指神农洁蜣螂头部或肩部的表皮。

所述光学式表面轮廓仪的测量精度不低于微米级。

所述矩形剖切区域I在凸包纵向中轴线方向上的起点和终点均处于神农洁蜣螂表皮迎土面上相邻凸包间的无明显凸起位置，所述矩形剖切区域II在凸包横向中轴线方向上的起点和终点均处于神农洁蜣螂表皮迎土面上相邻凸包间的无明显凸起位置。

所述沙丘状凸包仿生结构单元，以凸包横向中轴线为分界线，其朝向虫体头部方向且坡度较缓的一面为迎土面，其背向虫体头部方向且坡度较陡的一面为背土面，且单个沙丘状凸包仿生结构单元上迎土面面积是背土面面积的3～5倍。

所述群体排布方向是指沙丘状凸包仿生结构单元的迎土面始终朝向仿生犁壁的迎土方向。

所述群体排布方法是随机排布法、均匀排布法、梯度排布法之中的一种。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：（1）本发明直接以神农洁蜣螂迎土面体表上的沙丘状各向异性凸包为几何原型设计沙丘状凸包仿生结构单元的方法，在结构及功能仿生上更接近生物原型；（2）本发明基于沙丘状凸包仿生结构单元设计新型仿生犁壁的方法，将理想的“自然选择”结构用于人造耕作机具，具有较强的可操作性及应用价值。

附图说明

图1是本发明利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法流程图。

图2是本发明实施例购置的神农洁蜣螂成虫干制标本照片。

图3是本发明实施例获取的神农洁蜣螂干制标本肩部迎土面表皮的扫描电镜照片。

图4是本发明实施例神农洁蜣螂表皮凸包上矩形剖切区域I的选取位置图。

图5是本发明实施例神农洁蜣螂表皮凸包上矩形剖切区域II的选取位置图。

图6是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵向三维断面结构。

图7是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构。

图8是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓修正曲线。

图9是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。

图10是本发明实施例重构出的沙丘状凸包仿生结构单元的单体空间自由曲面。

图11是本发明实施例利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计的仿生犁壁。

图中：1、迎土面选取区域 2、虫体中轴线 3、凸包 4、矩形剖切区域I 5、凸包纵向中轴线 6、凸包横向中轴线 7、矩形剖切区域II 8、迎土面 9、背土面 10、仿生犁壁 11、沙丘状凸包仿生结构单元。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明实施例是一种利用神农洁蜣螂沙丘状各向异性凸包设计仿生犁壁的方法，包括下列步骤。

第一步：神农洁蜣螂表皮取样及预处理

（A）参见图2、图3，沿迎土面选取区域1，从购置的神农洁蜣螂成虫干制标本上裁取处于迎土面上的肩部表皮样本，首先对其标记虫体中轴线2，再用去离子水冲洗4次，然后将洗净的神农洁蜣螂干制表皮样本在2.5%戊二醛溶液中化学固定3h，化学固定温度0℃，制得神农洁蜣螂固定表皮样本；

（B）将经（A）步骤制得的神农洁蜣螂固定表皮样本采用去离子水清洗7次，然后在60℃条件下烘干1h，制得含水率5%的神农洁蜣螂干燥表皮样本。

第二步：神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量

（A）将第一步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本固定在光学式表面轮廓仪的工作台上，所述光学式表面轮廓仪的测量精度为微米级，设置光学式表面轮廓仪的扫描参数对神农洁蜣螂干燥表皮样本重复扫描3次；

（B）从经（A）步骤扫描后由表面轮廓仪配套处理软件自动生成的测量样本三维表面轮廓图像中选取清晰、无噪点的图像，获得神农洁蜣螂干燥表皮样本的表面轮廓图像。

第三步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横向三维断面结构提取

（A）参见图4、图5、图8，在第二步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整凸包3，从其上获取过凸包3最高点A且平行于虫体中轴线2方向的凸包纵向中轴线5，再从该凸包上获取过凸包3最高点A且垂直于虫体中轴线2方向的凸包横向中轴线6；

（B）参见图4、图6，利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包纵向中轴线5起，沿垂直于凸包纵向中轴线5方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包3上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域I 4，所述矩形剖切区域I 4在凸包纵向中轴线5方向上的起点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点C，其终点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点E，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域I 4的凸包纵向三维断面结构；

（C）参见图5、图7，利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包横向中轴线6起，沿垂直于凸包横向中轴线6方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包3上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域II 7，所述矩形剖切区域II 7在凸包纵向中轴线6方向上的起点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点B，其终点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点F，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域II 7的凸包横向三维断面结构。

第四步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面轮廓曲线提取

（A）参见图6～图9，借助表面轮廓仪配套处理软件，将第三步提取出的凸包纵、横向三维断面结构进行二维化截面显示处理，分别得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓原始曲线、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面原始轮廓曲线；

（B）参见图6～图9，借助表面轮廓仪配套处理软件，对经（A）步骤获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面原始轮廓曲线进行干扰点剔除、曲线平滑处理，分别得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓修正曲线、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。

第五步：沙丘状凸包仿生结构单元的单体曲面重构

（A）参见图8～图10，借助三维建模软件，以凸包最高点A为交点，将第四步获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵、横轴截面轮廓修正曲线进行垂直相交，形成空间相交曲线；

（B）参见图8～图10，借助三维建模软件，以第四步获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线的两个端点B、F为终点，以神农洁蜣螂表皮迎土面凸包纵轴截面轮廓修正曲线为母线，以神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线为控制导线，重构出沙丘状凸包仿生结构单元的单体空间自由曲面，该空间自由曲面以凸包横向中轴线6为分界线，包含迎土面8和背土面9两部分，其中迎土面8朝向虫体头部方向且坡度较缓，背土面9背向虫体头部方向且坡度较陡，且迎土面8面积是背土面9面积的3倍。

第六步：沙丘状凸包仿生结构单元的群体排布设计

（A）参见图11，针对仿生犁壁10的具体设计尺寸及作业参数，将第五步制得的沙丘状凸包仿生结构单元11的单体空间自由曲面几何放大5倍；

（B）参见图11，按照随机排布法，在保证沙丘状凸包仿生结构单元11的迎土面8始终朝向仿生犁壁10的迎土方向前提下，将经（A）步骤放大后的沙丘状凸包仿生结构单元11单体空间自由曲面在仿生犁壁10犁体曲面上做群体排布设计，便完成仿生犁壁10的整体设计。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以显示和描述本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，所属领域的普通技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。