文摘

高效soil-burrowing蜣螂拥有一个错综复杂的外轮廓曲线在其前腿end-tooth。本研究是基于证据表明这种特殊的外轮廓曲线有可能减少土壤渗透阻力,可能会提高soil-burrowing效率。齿轮是一个典型的农业实现土壤印记,提高其工作效率;仿生几何结构的方法是利用优化创新的印迹齿轮的形状。特征蜣螂的前腿end-tooth被提取并研究了边缘检测技术。然后,这个特殊的外轮廓曲线由nine-order多项式函数建模,用于创新设计的印记牙齿的前沿。传统和牙齿仿生制造,土壤本进行拉力测试。以所需的力和体积的印microbasin草案为评价指标,操作效率和质量不同的齿形轮比较和调查。结果表明,与传统的齿轮相比,仿生齿轮具有更好的前进阻力减少财产对土壤,同时,可以提高土壤质量的印记通过增加的体积micro-basin创建。

1。介绍

耕作农业土地在半干旱的环境中受到低和不稳定的降雨。要有效地使用这些土地,技术,如集雨(可能提高土壤蓄水和提高农业生产率)开发(1- - - - - -5]。“原位”系统是一种最简单和最廉价的集雨方法已经在许多不同的农业系统。这种技术涉及到的水量的增加存储在土壤剖面通过捕获或持有雨水下降,然后迅速导致捕获的水下沉到根区土壤的物理和水水文。(6]。土壤印迹方法之一的“原位”系统(7];这是一个操作,许多几何命令表面凹陷形成通过修改土壤表面微形貌来收集和成立期间降雨,让它渗透到土壤中8]。因此,水径流减少,减轻水土流失,水渗透速率增加。因此,土壤印迹的方法是最有效的手段之一,控制径流和土壤侵蚀的1- - - - - -3,9,10]。如图1、齿轮作为一个典型的设备被用于土壤印记,有一系列的外围牙限定滚动轮(11]。拖这个设备时,在土壤表面,牙齿周围的土流创建一个晶格的合并离散小萧条。因此,农业土地是印到所需的形式来增加土壤与水接触的表面积和重组,增加了土壤平均面积30%。(5]。

土壤印记的效率是衡量印microbasin的质量,以及齿轮的抵抗土壤。一方面,为了确保适用性,和易性,土壤和有效性印记,抑郁形状和能力应该适应确保满意的体积达到优越的径流收集性能(图2)[12]。另一方面,在任何类型的土壤耕作操作、土壤印记是能源消耗如此有效节能技术应该研究齿轮的设计。由于燃料成本的快速增长,能源消耗的减少由于耕作阻力是必要的(13,14]。

改善soil-engaging工具的造型设计是一种有效的方法减少运行阻力,同时增加工作质量(15]。土壤被旋转的齿轮印记的过程涉及到土壤剪切和压缩牙前沿;因此,牙齿的形状可以显著影响土壤渗透性能和microbasin的剖析,进而影响土壤的质量印记(16]。因此,应该引入齿轮不同的几何图形,应该尝试改善土壤印记的运营效率。

25亿年以来,这个星球上,自然已经解决生存和发展问题的成功的系统。日益繁荣的和有前途的方法来模拟自然的会议需求和解决问题的方法。从历史上看,当按下一个工程问题,科学家和工程师经常会无法画指导和灵感来自自然世界(17]。“生物仿生”的新兴科学是为解决老问题提供新的希望。

Soil-engaging工具设计基于几何结构soil-burrowing动物被发现的杰出表现低向前抵抗土壤(18),证明了仿生设计模仿土壤昆虫的几何特性的挖掘四肢soil-engaging工具的性能有显著的影响(19- - - - - -22]。因此,一些土壤昆虫的特点高效soil-digging能力进行了研究人员和显示成功提高soil-engaging组件的工作效率(23,24]。

蜣螂(Copris ochusMotschulsky)是一种特殊的soil-burrowing动物,可以挖洞在困难和压实土在高速度。两个前腿蜣螂的掘地的的特殊几何特性,提供了一个非常stout-burrowing函数土壤(25]。通过仔细观察,发现当蜣螂走或洞穴,end-tooth的前腿与土壤相互作用不断和直接。的end-tooth蜣螂用于切割和挖掘土壤已得到改进和优化通过数百万年的进化和适应进化的一个特殊的外轮廓曲线的结构。因此,一种新型仿生几何结构的方法是设计的一个印记的启发齿轮。

仿生几何结构具有巨大的潜在价值,解决这个问题的土壤切削和抗剪强度26,27]。逆向工程是一个非常有用的工具,定量揭示了生物几何特征,可桥和转让生物工程技术解决方案。逆向工程在仿生学的过程可以概括如下:一个动物扫描模型,点云聚集和加工,CAD模型重建和生产实验原型。所有这些过程中的步骤,定量分析动物的肢体是第一步,奠定基础。有效的逆向工程操作可以实现如果生物结构配置得到有效和准确。然而,困难在于蜣螂的几何结构的前腿end-tooth很小,错综复杂。它是极其困难的调查和分析end-tooth外边界曲线的传统的逆向工程方法(19,28]。然而发现边缘检测可以由新技术,近年来已被广泛研究。边缘检测是一个基本的和重要的问题在计算机视觉和数字图像处理29日],它可以用于分割、特征提取、识别的对象在一个场景30.]。边缘检测的基本过程是定位在图像剧烈波动,这源自不同的场景深度不连续等特性,在表面取向不连续,材料特性的变化和场景光照的变化31日]。因此,基于以前的研究(32),这种边缘检测技术用于检测的外缘蜣螂前腿end-tooth捕捉外边界的二维点云是基于MATLAB软件。

本文存在的几何特征蜣螂的前腿end-tooth研究及其几何本质是抽象的。基于MATLAB软件平台,边缘检测的数字图像处理技术被用来检测和捕获蜣螂的前腿end-tooth外缘二维点云。外边界的二维点云被nine-order多项式拟合函数。然后,特殊函数曲线应用于小说在齿轮设计前沿。后来,传统和仿生印记齿轮制造的数控加工中心。轴是安装与传统牙和仿生齿的轮子。单位是组装,土壤本进行拉力测试。把所需的力和草案卷印抑郁的调查指标,不同齿形轮的工作效率和质量评估。最终,行为和与土壤不同齿形轮的互动机制进行了有限元法。

2。材料和方法

2.1。样本收集甲虫(Copris ochusMotschulsky)

一个成年人蜣螂(Copris ochusMotschulsky)在长春市被捕,中国的吉林省。这个种类的甲虫的照片如图3。样品被99%醚麻醉。然后,前腿为选定的组件被手术刀与身体分离,和蜣螂手术后被处决。最后,用蒸馏水洗净了前腿。

2.2。形态学图像处理

蜣螂的几何形态(Copris ochusMotschulsky)测量和观察到立体镜(STJ-30,奥林巴斯有限公司)。end-tooth在中尺度,高度约1毫米,宽度是0.5毫米。无关紧要的部分照片被移除后,确信那end-tooth end-tooth的是中间的图像分析。图4显示了原始照片输入MATLAB程序,和669×727像素的大小。

2.3。边缘检测和二维点云获取

数学形态学是一种应用于图像处理方法。基本思想是衡量从图像中提取相应的形状和结构元素对图像处理和分析。使用数学形态学边缘检测比使用微分处理,因为它对噪声不敏感,边缘提取相对平稳。二进制图像也被称为黑白图像。对象可以很容易地从图像背景中识别。二进制映像的结合,采用数学形态学检测的优势,可以减少噪音和无效的边缘,使边缘检测更光滑的和准确的。MATLAB嵌入式功能”Rgb2gray”、“Imdilate”,“Imerode”,“Im2bw,”和“Imfill”被用来确保边缘提取的边缘健壮的噪音、钝化。最终,边缘检测的“边缘”功能和“日志”操作符。图保证5显示了这个程序的流程图。

2.4。End-Tooth外边界曲线拟合模型

Matlab程序运行后,X,Y809点的坐标是通过运行程序。图6显示了end-tooth的二维点云。

Nine-order多项式函数被选为正确的函数曲线拟合的过程中准确的数学模型。nine-order多项式函数的表达式如下所示:

在上面的方程中,p₁= 8.86×10⁻²⁰,p₂=−2.74×10⁻¹⁶,p₃= 3.55×10⁻¹³,p₄=−2.48×10⁻¹⁰,p₅= 1.01×10⁻⁰⁷,p₆=−2.39×10⁻⁰⁵,p₇= 0.003032,p₈=−0.1691,p₉= 5.683,p₁₀=−53.62。

正确的定义R²是0.9982,这意味着该数学模型可以准确地代表end-tooth外轮廓曲线的特点。

2.5。齿轮制造原型

印microbasin的体积的可比性,仿生和传统牙齿应该被设计成具有类似的维度。传统的卷和仿生齿轮分别为0.887 L和0.881 L,分别。仿生牙只有0.68%小于传统牙;这个小体积差异可以忽略不计当比较齿轮向前阻力和抑郁症的体积。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 80毫米厚的板被用来制造传统和仿生牙。基于特殊的外轮廓curve-inspired形式蜣螂前腿end-tooth,仿生齿轮的设计,制造,组装在一个钢圆柱滚动轮。首先,数控铣床是用来磨弧齿底表面符合圆柱滚动轮,然后处理牙两边的斜角。后来,数控机床中心被用来减少特殊外轮廓曲线边缘的仿生牙。之后,用钻床钻四个螺丝孔。如图7,传统的牙直前沿。仿生牙有一个特殊的外轮廓曲线在其前沿。

总共6-tooth单元安装在钢圆柱滚动轮和320毫米直径的螺栓连接,然后连接钢框架。最终,整个单位齿轮是落后于土壤本马车(图8)。

2.6。整地

本研究使用的室内土壤本设施仿生工程重点实验室(教育部,中国),吉林大学。土壤本(40米长,2.8米宽,1.8米深)被用来产生一个可重复的实验中,土壤条件和土壤本电车被用来提供一个不断向前旅行速度。黄色粘土土壤,这是大部分的典型土壤的玉米和大豆日益增长的中国东北地区,是用于实验。土壤准备在每一本涉及添加一个预先确定的水量达到目标含水量为12.34% (w/w干基)平均容重1200公斤/米³(干基)。灌溉后的土壤覆盖着塑料纸包裹水分损失减小到最低限度,同时允许本内的水分平衡。在第二天,放松、混合和水准测量一组高度。运行之间的实验中,铲土壤被用来放松和刮刀手动用于土壤水平。土壤颗粒大小分布是列在表中1。

在测试的过程中,曾,土壤的本满是塑料纸包裹,以避免空气中的土壤水分蒸发。第二天之前进行测试,收集土壤样本从本监控容重和含水量。

2.7。数据采集方法

数据采样进行了超过10米长工作部分的土壤本;5米长两端的工作部分是电车的减速和加速缓冲地带。力传感器(LCS-S3)成立之间的齿轮和电车车厢前面的酒吧。然后,力信号通过一个传感器被转移到数据采集系统。数据采集系统如图9,其中信号放大器(RW-ST01A)是用来放大信号;然后放大信号被转移到一个USB供电的便携式测量设备(NI myDAQ 200 k / s 16位,±10 V),测量装置是通过一个USB端口连接到一个手提电脑。最终,力数据收集的操作由虚拟仪器开发的一种便携式计算机上执行的软件。

如图10实验,测量齿轮的前进阻力进行了使用电车车厢。电车车厢继续铁轨两边的土壤。齿轮装置是安装在试验台的电车车厢旅行的前进速度1 m / s(典型的齿轮的速度操作背后的四轮拖拉机)。齿的轮子需要足够实现负载应用垂直于土壤表面,从而使土壤结构合并创建所需的痕迹。实现添加压载重量不一。最初的卸下齿轮的重量为250 N。研究齿轮负载的影响,体重均匀地分布在滚轮轴的双方。实现权重增加齿的轮子是200,250,300,350,400 N。在每个负载,一个完整的复制五土本实验运行完成。收集的数据集进行统计分析,误差被用来代表标准偏差。

2.8。评估Soil-Imprinting质量的方法

对于任何给定的土壤条件,由抑郁的水量取决于的深度抑郁和它的体积;这两个指标确定水库容量和影响土壤质量工作的印记。为了评价储层产能,数字深度计是用来测量每个抑郁的深度在1毫米的精度。与此同时,每个抑郁的体积是由内衬塑料薄膜(75μ米)和填补它与水的表面,然后从量筒不同读数计算,和抑郁症的体积决定(图11)。对于每一个重复,随机选择20萧条,收集到的数据集进行统计分析,误差被用来代表标准偏差。

2.9。建立有限元模型对调查土壤和齿轮之间的相互作用机理

验证和比较土壤和齿轮的行为接口,由有限元应力分析结果实现(有限元法)的方法。最近的发展计算机技术已导致增加有限元土壤耕作工具交互的应用程序(33]。有限元是非常合适的分析复杂的工程问题,特别是对大变形动态系统,已被许多研究人员用来分析土力学问题(13,34]。在这项研究中,商业有限的代码使用有限元分析,3 d有限元分析土壤和齿轮的相互作用进行了调查土壤和齿轮的行为接口。一个校准有限元模型35)成立并提供现实的估计压力土壤和齿轮之间的接触界面,从而预测土壤压力。作为妥协倍减少解决方案,进行了分析通过1000毫米中心运动的水平面x在1 s设在方向。使用一个英特尔i7 - 4790 k, 4 GHz处理器工作站电脑24 GB的内存,创建完整的分析工作和提交给分析仪。

3所示。结果与讨论

3.1。仿生外轮廓曲线对齿轮的影响提出阻力

在每个负载,一个完整的复制五土本实验运行完成。阻力转发的收集的数据集进行统计分析,和误差是用来表示标准偏差。

工作负荷的200 N, 250 N, 300 N, 350 N, 400 N,比较远期的工作阻力齿轮安装在不同类型的牙齿。结果表明,仿生齿轮前进阻力减少了9.5%,11.0%,13.0%,13.9%,和16.5%,分别比传统的齿轮。方差分析的实验数据进行了分析。发现仿生齿轮可以显著降低抵抗部队(值< 0.01)比传统的牙齿。

从图12的前进阻力,值得注意的是,不同类型的齿轮安装牙齿增加实现负载的增加。操作在小负荷时,齿轮的工作阻力之间的差异与传统与仿生牙,牙齿是无形的。然而,随着负载的增加,仿生齿轮的工作阻力明显低于其他类型的牙齿。它表明仿生齿车轮需要更少的操作力草案;因此,减少能源消耗。

3.2。仿生效应外轮廓曲线上印的萧条

对于每一个重复,随机选择20萧条。收集的数据集的抑郁量进行统计分析,和错误的酒吧被用来代表标准偏差。

工作负荷的200 N, 250 N, 300 N, 350 N, 400 N,比较萧条的体积由传统的齿轮安装和仿生牙。结果表明,仿生齿轮印抑郁症的数量增加了11.0%,7.5%,7.5%,12.5%,和24.9%,分别比传统的牙齿。实验数据进行了方差分析。发现仿生齿轮可显著提高抑郁症的体积(值< 0.05)比传统的齿轮。

从图13,值得注意的是,抑郁症的数量由两种类型的齿轮安装牙增加实现负载的增加。当操作在一个小负载,工作阻力两齿的轮子之间传统的牙齿和仿生牙齿显示,细微的差异。但随着工作负荷的增加,差异越来越显著。

3.3。调查机制的仿生齿轮有限元方法的工作效率

有限元法(FEM)土壤和传统的齿轮之间的交互模型,解决时间约为96小时。由于相对复杂的几何仿生齿轮,有限元模型的解决方案的时间达到了112 h。分析两个都圆满完成没有元素失真或中断。

如数据所示14- - - - - -16齿轮和土壤,土壤压力接口预测;绘制轮廓的变形形状。美国米塞斯应力谱的进化领域的仿生齿轮和常规齿轮滚在土壤表面是输出。土壤和齿轮之间的交互是一个连续的过程,然而在这项研究中,3单独工作阶段阶段定义基于齿轮工作特点:人物14显示了影响阶段(0.988秒),图15显示了渗透阶段(1.118),和图16显示了提升阶段(1.248秒)。

应力集中(也称为压力者)是一个应力集中的位置在一个对象。形状导致这些浓度的例子有裂缝,尖角,洞,物体的横截面积的变化。可以观察到应力集中现象,在调查的机制齿轮有限元方法与土壤相互作用。土壤材料时最强的力量均匀地分布在它的面积;然而,几何不连续性导致土壤物质体验当地的应力场的强度增加。因此,土壤物质停止功能满意,因为他们打破之前过度的弹性挠曲或一般的发生(36,37]。仿生的特殊曲率轮廓曲线的齿轮会导致土壤中的几何不连续性;这些不连续引起的突然增加压力(压力峰值)点附近压力增加,从而导致局部应力的增加。这样的压力集中在土壤更容易导致失败。

因此,仿生外轮廓边缘有特殊曲率有能力最大化压力浓度土壤中,从而增加土壤物质失败的倾向。换句话说,因为几何变化可能发生不均匀的压力。变化,如曲率变化齿轮前沿。这在应力分布不均匀性可能导致截面的最大应力远远大于平均压力。“压力梯度”这个词是用来表示增加的速率应力作为应力集中因素。这样的压力梯度可能影响的破坏性影响的峰值压力。影响和渗透阶段,所示的应力谱数据字段14- - - - - -15土壤表面和齿轮交互,仿生牙是陡峭的压力梯度计算应力集中区域的比传统的牙齿,所以压力造成的特殊仿生牙齿的外轮廓曲线显示,部分更突然的变化相比传统的牙齿。因此,土壤压实失败比传统的更容易在仿生牙牙齿。

应力集中的程度可以由应力集中系数计算,最高压力比一个引用的压力。在这项研究中,相同的负载应用于齿轮分享相似的重量;因此,参考压力引起的土壤中不同齿的轮子是相似的。通过比较土壤和齿轮的最高压力接口,应力集中因素可以评估间接通过使用获得的最高应力值影响的有限元分析阶段和渗透阶段。在这两个阶段,最好导致应力集中在土壤,土壤材料更容易失败,从而增加抑郁的体积和减少所需的草案。仿生牙相比,仿生牙的最大美国米塞斯应力值从38.6 kPa和46.2 kPa增加到44.0 kPa和52.9 kPa。增量比例分别是14.1%和14.4%。然而,值得注意的是在提升阶段,传统的齿轮需要microbasin顺利的隆起;它是可取的,导致更少的压力在土壤保护microbasin国崩溃。仿生牙相比,仿生牙的最大美国米塞斯应力值从37.9 kPa减少到33.4 kPa。 The decrement ratio was −11.8%. Hence, the quality of soil imprinting was enhanced and forward resistance was reduced via the bionic design wheel.

当齿轮的影响和渗透的土壤,压力在元素的最大值仿生牙尖端附近的应力集中发生。土壤中焦点的压力很可能是其故障点。如图17仿生牙下,土壤受到更多的应力集中;因此,无法抗拒高度集中应力,因此失败得更快。但是,当仿生齿轮解除从土壤中,压力均匀分布在土壤和齿轮接口;因此仿生齿轮从土壤中容易被解除。最终,仿生的前进阻力可以减少齿轮和土壤印记可以提高质量。

4所示。结论

基于这样的观察:高效soil-burrowing蜣螂(Copris ochusMotschulsky)复杂的外轮廓曲线的前腿,这种特殊的外轮廓曲线应用于印记的仿生设计齿轮减少阻力和增加土壤的质量工作同时印记。传统的影响和仿生齿轮5垂直实现负载(200 N, 250 N, 300 N, 350 N, 400 N)在前进的阻力和抑郁的参数被用于土壤印迹了。本研究建议使用这本小说为土壤设计仿生牙印记。这个建议是基于以下证据:(1)以正向电阻为评价指数,当齿轮安装在两种类型的牙操作在不同的实现加载,实现负载的前进阻力增加。仿生齿轮可以显著降低抵抗部队(值< 0.01)比传统的牙齿。作为操作实现负载的增加,仿生的前进阻力减少牙齿变得越来越明显。(2)使用抑郁的体积作为指数检验,结果表明,抑郁症的体积增加,实现负载。与此同时,仿生齿轮可显著提高印抑郁的体积(值< 0.05)比传统的齿轮。此外,减少影响往往是实现负载的增加更明显。(3)与传统的齿轮相比,仿生齿轮可以减少所需的草案力高达16.5%,扩大印microbasin多达24.9%的体积。(4)调查机制不同的齿轮相互作用的行为与土壤通过有限元方法,发现影响和渗透阶段,外轮廓曲线的几何曲率仿生牙有能力最大化强调浓度土壤中;应力集中增加了14.1%和14.4%,分别。的尖角的尖端仿生牙诱导应力的突然增加点附近压力增加,导致局部应力增加;这样的压力集中在土壤土壤物质的倾向增加失败,因此土壤“巩固”而不是“压缩”负载下的土壤。此外,仿生齿轮应力集中在提升阶段,较少,降低了11.8%。因此,它可以更容易地从土壤中上升。因此,草案要求力降低,土壤印记质量提高。

最重要的是,挖掘肢体形状以及挖掘行为是继承了仿生齿轮,滚动在土壤表面和印记,就像一个甲虫来回挥舞着它的前腿挖土壤。仿生齿轮需要较少的力量操作草案相比与传统齿轮和印microbasin集水能力增加。基于其体积大萧条和所需的力,草案仿生齿轮会首选选项进行土壤印记时操作。除了上述考虑,仿生齿轮会方便本地制造广泛使用的制造技术,因此可能增加其可用性和推广前景。此外,特殊的外轮廓曲线是有用的设计新soil-engaging实现适应每种类型的土壤工作质量提高和前进阻力减少。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个研究项目的金融支持是由中国国家自然科学基金对于年轻学者(批准号51605210),由云南省应用基础研究青年项目(批准号2015 fd011),昆明大学引进人才科研盯着基金会的科技(批准号14118940),云南省委教育部科研基金项目(批准号2015 y079),打开项目的仿生工程重点实验室(教育部)(K201621),吉林大学。作者的感激谢谢将全陈从吉林大学教授,对他有益的指导,鼓励,和支持实验。