[发明专利]用神农洁蜣螂表皮沙丘状凸包设计凹坑型仿生犁壁的方法

说明书

本发明提供一种用神农洁蜣螂表皮沙丘状凸包设计凹坑型仿生犁壁的方法，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。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反沙丘状凹坑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，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和应用价值。

技术领域

本发明提供一种用神农洁蜣螂表皮沙丘状凸包设计凹坑型仿生犁壁的方法，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，该犁铲采用了一种凹坑深度与坑上口直径之比处于一定数值范围的球缺形凹坑；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凹坑或凸包结构，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凹坑型或凸包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用神农洁蜣螂表皮沙丘状凸包设计凹坑型仿生犁壁的方法，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：用神农洁蜣螂表皮沙丘状凸包设计凹坑型仿生犁壁的方法，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