鼢鼠挖掘活動(dòng)及爪趾幾何特征量化分析

王洪昌，涂 鳴，劉 念，曾 榮，王忠民， 佟金

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070；3.興安盟草原工作站，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400；4.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022)

生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰的過(guò)程，優(yōu)化了生物體宏觀與微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)與功能、運(yùn)動(dòng)方式與行為、能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式等，使其適應(yīng)周圍環(huán)境的能力得到大大的提升。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，它的出現(xiàn)為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了新思路、新原理和新理論[1-2]。土壤洞穴動(dòng)物長(zhǎng)期生活在土壤環(huán)境中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化，已優(yōu)化出能適應(yīng)土壤環(huán)境的活動(dòng)方式和能力，逐步形成了獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的功能，這些突出的特征能為人們的仿生研究提供很好的基礎(chǔ)[3-5]。

鼢鼠(Myospalax)屬哺乳綱、嚙齒目、鼠形亞目、鼠總科、鼴形鼠科、鼢鼠亞科，俗稱瞎老鼠、地羊。鼢鼠是典型的土壤洞穴動(dòng)物，常年?duì)I地下生活，地面活動(dòng)較少，體型粗圓，眼睛退化嚴(yán)重，視覺(jué)極不發(fā)達(dá)，嗅覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)發(fā)達(dá)，避光怕風(fēng)，喜食植物地下根莖，每年的4—5月和9—10月是其活動(dòng)的高峰期，鼢鼠的生物學(xué)特性以及對(duì)草原、林場(chǎng)、農(nóng)作物等的危害已被大量研究[6-11]。鼢鼠四肢短粗有力，前爪特別發(fā)達(dá)，其中尤以第3趾(中間趾)最長(zhǎng)，在挖掘洞道過(guò)程中發(fā)揮重要作用。鼢鼠挖掘能力強(qiáng)，有研究表明，1 min能挖掘80～100 mm長(zhǎng)的洞道，它的平均挖掘速度達(dá)到50 mm/min，每只鼢鼠一年推出地面的土量達(dá)到1 024 kg[12-14]。林恭華等[15]研究發(fā)現(xiàn)，高原鼢鼠與挖掘效率有關(guān)的尺骨挖掘動(dòng)力臂系數(shù)是高原鼠兔和根田鼠的2倍多，顯示其較強(qiáng)的挖掘能力。因此鼢鼠爪趾為土壤挖掘和切削工具的仿生設(shè)計(jì)提供了很好的學(xué)習(xí)參照，筆者通過(guò)研究東北鼢鼠的挖掘活動(dòng)規(guī)律，爪趾幾何結(jié)構(gòu)特征以及爪趾內(nèi)外輪廓線特征，為后續(xù)土壤挖掘和切削工具的仿生設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1材料供試東北鼢鼠(Myospalaxpsilurus)(圖 1) 捕捉于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科爾沁右翼前旗西北部的滿族鄉(xiāng)(120°57′～121°50′E，46°26′～47°02′N)。東北鼢鼠生活環(huán)境的土壤類型主要是黑鈣土、栗鈣土和草甸土。選取3只成年雄性東北鼢鼠為主要研究對(duì)象，體重為(0.37±0.05)kg。

圖1 捕捉的東北鼢鼠照片F(xiàn)ig.1 A photograph of a captured Myospalax psilurus

1.2挖掘活動(dòng)的觀察將東北鼢鼠飼養(yǎng)在尺寸為800 mm×400 mm×700 mm的玻璃缸內(nèi)， 玻璃缸內(nèi)裝有野外取回的土壤，缸體下部開(kāi)有用于通氣的小孔，由于東北鼢鼠怕光同時(shí)為防止逃脫，缸口用布和木板壓蓋，所用玻璃缸見(jiàn)圖2。用胡蘿卜、土豆、白菜、草根等加以喂養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)胡蘿卜的喜食程度較高。用高清攝像機(jī)拍攝東北鼢鼠挖掘活動(dòng)的過(guò)程，用EDIUS6.0視頻處理軟件對(duì)采集的視頻信息進(jìn)行處理。

圖2 觀察東北鼢鼠挖掘活動(dòng)的玻璃缸Fig.2 The observed aquarium of Myospalax psilurus burrowing activities

1.3幾何特征的觀察采用二氧化碳吸入法將鼢鼠處死[16]，將鼢鼠前后爪趾切下，用85%酒精清洗后風(fēng)干，制成樣本。采用奧林巴斯SZX12型體視顯微鏡觀察鼢鼠爪趾形態(tài)和幾何結(jié)構(gòu)。

1.4爪趾輪廓特征曲線提取及分析利用MATLAB軟件的形態(tài)學(xué)數(shù)字圖像處理功能，對(duì)鼢鼠爪趾輪廓特征進(jìn)行提取，將提取的特征曲線進(jìn)行擬合，得到內(nèi)外輪廓曲線擬合方程，并分析內(nèi)外輪廓曲線曲率的變化規(guī)律。

1.5仿生除草鏟設(shè)計(jì)將鼢鼠前爪爪趾內(nèi)輪廓曲線方程應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種用于苗期株間除草的仿生除草鏟，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

2 結(jié)果與分析

2.1爪趾的幾何結(jié)構(gòu)特征東北鼢鼠的前后爪趾(分別見(jiàn)圖 3和圖 4)在宏觀形態(tài)上有著明顯的差異。前爪粗壯、厚大，爪尖而利，呈鐮刀狀，是主要的挖掘器官。爪趾根部厚而粗，呈橢圓形，中間三趾前端呈圓錐楔，外側(cè)兩趾扁平且前端稍尖，爪趾根部到前端之?dāng)嗝娉叽缰饾u變小，這種結(jié)構(gòu)在保證爪趾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，在挖掘過(guò)程中有利于入土；后爪爪趾短而薄，呈拱形，在挖掘過(guò)程中可以牢牢的抓住地面并支撐身體，扒土?xí)r容易將土扒向后方；后爪有較大的肉墊，在挖掘活動(dòng)中主要起支撐身體的作用。

圖3 東北鼢鼠前爪Fig.3 Fore claw of Myospalax psilurus

圖4 東北鼢鼠后爪Fig.4 Hind claw of Myospalax psilurus

東北鼢鼠的前爪是主要的挖掘工具，其排列方式與鼴鼠、達(dá)烏爾黃鼠、家鼠等“一”字排列不同[2,17]。東北鼢鼠前爪爪趾是空間弧線形排列，中間趾(見(jiàn)圖 3中的標(biāo)號(hào)3)在最前端，第2趾和第4趾在中間趾后側(cè)一定角度和距離處，第1趾和第5趾排列最靠后，這種排列方式使前爪中間三趾組成立體凹型空間，形成挖掘斗，在挖掘過(guò)程中像挖掘機(jī)似的高效掘土，增強(qiáng)其挖土能力，第1趾和第5趾在挖掘過(guò)程中起輔助作用。利用游標(biāo)卡尺測(cè)量前爪各爪趾，結(jié)果表明前爪中趾(即第3趾)長(zhǎng)度、寬度和厚度均大于其他趾，在挖掘過(guò)程中起主要作用，因此選取爪趾3作為后續(xù)的研究樣本，其幾何形體如圖 5所示。

圖5 東北鼢鼠前爪中間趾照片F(xiàn)ig.5 The middle toe of fore claws of Myospalax psilurus

由圖 5可知，前爪中趾根部寬而厚，越靠近尖部越薄，使爪趾尖部呈楔形，經(jīng)測(cè)定，前爪中趾的兩向楔角分別為28.5°和39.6°，這與耕作部件楔角隨阻力變化的最小角度在20°～45°相符合[18]，楔形的爪趾端部一方面能減小應(yīng)力集中，增強(qiáng)與環(huán)境條件相適應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度，提高在土壤挖掘過(guò)程中的耐磨性能；另一方面是在保證楔入力盡量大的情況下，使頂端過(guò)度圓角增大，改善端部土壤應(yīng)力分布，改變壓實(shí)土壤的形狀，減少土壤黏附。爪趾背面呈弧線形，且曲面光滑平緩，光滑的背面在減少挖掘阻力的同時(shí)能保證挖掘的洞道表面光滑平整。爪趾內(nèi)側(cè)中部到尖部相較于根部與中部之間有一定變化，有磨損痕跡，并且磨損痕跡不對(duì)稱，這是由鼢鼠的挖掘方式造成的，在掘土過(guò)程中爪趾前部與土壤接觸較多時(shí)間也長(zhǎng)，受力較大，磨損嚴(yán)重，后部主要功能是使土壤沿爪趾面翻轉(zhuǎn)滑落，磨損較輕，且爪趾在挖掘過(guò)程中與地面垂直面呈一定角度，爪趾受力不均勻，磨損程度不同，出現(xiàn)不對(duì)稱的磨損痕跡。

2.2挖掘活動(dòng)規(guī)律通過(guò)視頻分析，東北鼢鼠在挖掘過(guò)程中的主要行為總結(jié)如下：① 頭部揚(yáng)起或伸入土壤內(nèi)，鼻端靠近挖土點(diǎn)上方，用于探測(cè)方向和感知土壤堅(jiān)實(shí)度，兩只強(qiáng)有力的前爪交替掘土，為了便于掘土，在挖掘過(guò)程中爪趾與地面垂直面呈一定角度。②當(dāng)掘下的土達(dá)到一定量時(shí)，用前爪將土壤扒至后爪處，并用后爪迅速將土踢向身體后方。③身體后方的土壤堆積到一定程度后，東北鼢鼠轉(zhuǎn)身，背部弓起，收縮身體前部將身體重心落向后足，后足牢牢抓緊地面支撐身體，用頭部和前爪通過(guò)伸展身體將土向前方推動(dòng)，直至將土推出洞口。④在挖掘過(guò)程中遇到草根等食物時(shí)，用前爪抓住草根，用牙齒將草根咬斷，然后送入口中進(jìn)食，如若遇到石塊等物體，隨土壤將其推出地面(在野外地面土丘土壤中發(fā)現(xiàn)有大小不一的石塊)。⑤挖掘一段距離后，用鼻端對(duì)洞道進(jìn)行修正，以使土壤堅(jiān)硬不至于掉落。李曉晨等[19]對(duì)鼢鼠洞道結(jié)構(gòu)的建筑學(xué)意義進(jìn)行了研究。

鼢鼠其中一次的挖掘過(guò)程的動(dòng)作如圖6所示，可知鼢鼠的挖掘動(dòng)作與反鏟挖掘機(jī)的挖掘動(dòng)作相似，在沿洞道軸向挖掘時(shí)(圖6a)，前肢向前部伸出的同時(shí)繞前肢與橈尺骨的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，將爪子插入土中一定深度，頭部頂住前方未挖掘的土壤以便用力向后上方拉動(dòng)，身體拱起，把挖出的土拉到身體下部存儲(chǔ)，達(dá)到一定量后轉(zhuǎn)身用頭部和前爪將土推向洞道后方。在沿洞道徑向挖掘時(shí)(圖6b)，后肢做為支撐，頭部稍微揚(yáng)起， 爪子繞與橈尺骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中間三趾向上張開(kāi)，所形成的空間達(dá)到最大，使一次挖掘的土壤盡可能多，其中中間趾(標(biāo)號(hào)3)是主要的挖掘趾，其入土最深，行程最大。

注：a.沿洞道軸向挖掘;b.沿洞道徑向挖掘Note:a.Digging along the axial direction of hole;b.Digging along the radial direction of hole圖6 一只前爪的挖掘過(guò)程說(shuō)明Fig.6 The digging process diagram of a fore claw

鼢鼠在挖掘過(guò)程中，挖掘前肢左右開(kāi)工，每次挖掘用一只前肢，另一只前肢與后肢起支撐作用。其前爪的挖掘運(yùn)動(dòng)近似為不規(guī)則的橢圓形(如圖7)，可以分為挖掘行程與返回行程，其中挖掘行程路線較長(zhǎng)，返回行程路線短，這樣前肢在挖掘過(guò)程中與土壤接觸時(shí)間長(zhǎng)，并且減少非挖掘行程的能耗，提高挖掘效率。

圖7 前爪挖掘運(yùn)動(dòng)示意Fig.7 The digging motion diagram of fore claw

2.3爪趾輪廓特征曲線提取前爪爪趾是東北鼢鼠在挖掘過(guò)程中的主要挖掘工具，對(duì)爪趾幾何結(jié)構(gòu)特征的研究具有仿生學(xué)意義。為了更深入地了解東北鼢鼠爪趾輪廓的幾何結(jié)構(gòu)特征，在MATLAB軟件中編程,利用軟件的形態(tài)學(xué)數(shù)字圖像處理功能，通過(guò)以下步驟對(duì)圖像進(jìn)行處理：①利用“rgb2gray”命令通過(guò)RGB各個(gè)分量的的加權(quán)和將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。②對(duì)圖像進(jìn)行封閉運(yùn)算即先膨脹后腐蝕，填補(bǔ)圖像空洞，連接相鄰的對(duì)象和邊界及區(qū)域，消除圖像中的干擾點(diǎn)。③設(shè)置合適的閥值，基于閥值分割識(shí)別邊緣，得到歸一化的直方圖并將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像。④對(duì)爪趾的邊緣輪廓進(jìn)行提取，存儲(chǔ)邊緣輪廓的二維點(diǎn)云坐標(biāo)值以備后續(xù)處理，提取邊緣輪廓后的圖像如圖 8所示。

圖8 提取邊緣后圖像Fig.8 The middle toe of fore claws of Myospalax psilurus

將提取的邊緣輪廓的二維數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行擬合，以曲線方程的形式對(duì)特征進(jìn)行進(jìn)一步描述[20]，借鑒對(duì)鼴鼠、達(dá)烏爾黃鼠、小家鼠等嚙齒動(dòng)物前爪爪趾輪廓曲線的擬合函數(shù)形式[21-24]，分別嘗試用指數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、高斯函數(shù)、傅里葉函數(shù)對(duì)鼢鼠爪趾輪廓曲線進(jìn)行擬合，得到擬合方程，發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式函數(shù)和高斯函數(shù)與數(shù)據(jù)的擬合程度較好，通過(guò)判定系數(shù)R2和殘差平方和SSE分別對(duì)多項(xiàng)式函數(shù)和高斯函數(shù)兩種擬合形式的擬合精度進(jìn)行比較，其中SSE值越接近于0表明曲線擬合越精確，R2越接近于1，表明方程擬合度越高。表1和表2分別列出了其中一只鼢鼠前爪中趾內(nèi)外輪廓曲線的多項(xiàng)式函數(shù)和高斯函數(shù)的擬合方程系數(shù)、判定系數(shù)R2以及殘差平方和SSE。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多項(xiàng)式函數(shù)在相同階數(shù)的情況下擬合度更高更精確，因此最終選擇7階多項(xiàng)式方程擬合中趾內(nèi)輪廓曲線(圖 6所示位于下方的輪廓特征)，6階多項(xiàng)式方程擬合爪趾外輪廓曲線(圖 6所示位于上方的輪廓特征)。

表1東北鼢鼠前爪中趾內(nèi)外輪廓曲線擬合方程系數(shù)及判定系數(shù)-多項(xiàng)式函數(shù)

Table1CoefficientsoftheprofileequationsfittedandtheircoefficientofdeterminationofthemiddletoeofforeclawsofMyospalaxpsilurus-Polynomialfunction

項(xiàng)目Item方程系數(shù)Coefficientofequationp1p2p3p4p5p6p7p8判定系數(shù)(R2)Judgmentcoefficient殘差平方和(SSE)Sumofsquaresofresiduals內(nèi)輪廓Internalprofile2.705×10181.721×10144.469×10116.073×1084.591×1050.019123.9980.054680.99951.089×104外輪廓Outercontour2.125×10161.145×10122.344×1092.27×1060.0012870.7472299.30.99964093

表2東北鼢鼠前爪中趾內(nèi)外輪廓曲線擬合方程系數(shù)及判定系數(shù)-高斯函數(shù)

Table2CoefficientsoftheprofileequationsfittedandtheircoefficientofdeterminationofthemiddletoeofforeclawsofMyospalaxpsilurus-Gaussianfunction

內(nèi)輪郭方程系數(shù)Coefficientofequationofinternalprofile數(shù)值Value外輪廓方程系數(shù)Coefficientofequationoutercontour數(shù)值Valuea13.141 a1225.4b1173.1b1713.9c161.7c1409.8a20.5325a223.3b2366.5b21176c25.471c2266.2a3-5.60E+04a32.497b3473.2b3640.6c3414.4c368.8a4113.9a4312.1b41206b4194.8c4269.5c4379.6a55.63E+04a5519.2b5473b51388c5415.8c5923.9a6-9.652a631.65b6315.6b697.72c685.24c698.31a7-6.109b7672.1c736.32判定系數(shù)Judgmentcoefficient0.9985判定系數(shù)Judgmentcoefficient1.828E+04殘差平方和Sumofsquaresofresiduals0.9994殘差平方和Sumofsquaresofresiduals2305

內(nèi)外輪廓多項(xiàng)式方程的表達(dá)式如下：

內(nèi)輪廓曲線方程：

f(x)=p1x7+p2x6+p3x5+p4x4+p5x3+p6x2+p7x+p8

(1)

外輪廓曲線方程：

f(x)=p1x6+p2x5+p3x4+p4x3+p5x2+p6x+p7

(2)

根據(jù)擬合所得的多項(xiàng)式曲線方程，對(duì)輪廓曲線的一、二階導(dǎo)數(shù)及曲率進(jìn)行計(jì)算，輪廓曲線的二階導(dǎo)數(shù)和曲率分別見(jiàn)圖 9和圖 10所示。

圖9 鼢鼠爪趾輪廓曲線二階導(dǎo)數(shù)Fig.9 The middle toe of fore claws of Myospalax psilurus

圖 10 鼢鼠爪趾輪廓曲線曲率Fig.10 The middle toe of fore claws of Myospalax psilurus

由圖 9可知，外輪廓曲線二階導(dǎo)數(shù)變化不明顯，內(nèi)輪廓曲線有2個(gè)拐點(diǎn)，且除個(gè)別點(diǎn)外均小于零，曲線呈凸?fàn)睢Ｓ蓤D 10可知，東北鼢鼠爪趾外輪廓曲率變化較小，說(shuō)明爪趾外輪廓表面較為光滑平順，變化平緩，光滑的外輪廓能使鼢鼠在挖掘過(guò)程中減少摩擦阻力，使挖掘的洞道表面更加平整；爪趾內(nèi)輪廓曲率起伏較大，有明顯的波峰波谷出現(xiàn)，爪趾內(nèi)輪廓表面變化較大是長(zhǎng)期與土壤相互作用導(dǎo)致的，由于土壤的磨損致使爪趾前段曲率變化較大，變曲率特征在掘土過(guò)程中有利于土壤沿爪趾表面翻轉(zhuǎn)脫落，爪趾尖端的變曲率更利于爪趾入土，并提高爪趾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.4仿生除草鏟設(shè)計(jì)與仿真鼢鼠前爪內(nèi)輪廓是主要的觸土面，其輪廓特征為農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的設(shè)計(jì)提供了參考。該研究以前爪中間趾內(nèi)輪廓多項(xiàng)式方程為參考，根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一種苗期株間除草鏟(如圖 11所示)，其中圖11a為仿生曲線型除草鏟，圖11b為與仿生除草鏟對(duì)照的圓弧型除草鏟。

仿生除草鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖 12所示，R是農(nóng)作物保護(hù)區(qū)，Z是農(nóng)作物，除草鏟連接桿以離作物行距離a隨機(jī)器向前行進(jìn)，在除草過(guò)程中兩個(gè)除草鏟垂直于農(nóng)作物行并侵入土壤20～30 mm，接近農(nóng)作物保護(hù)區(qū)時(shí)除草鏟向后擺動(dòng)一定角度以避免侵入保護(hù)區(qū)傷苗，過(guò)了農(nóng)作物保護(hù)區(qū)后再擺正繼續(xù)除草。

注：a.多項(xiàng)式曲線型除草鏟;b.圓弧型除草鏟Note:a.Biometric weeding-shovel; b.Normal weeding-shovel圖 11 除草鏟三維示意Fig.11 3-D solid of the weeding-shovel

圖12 除草鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意Fig.12 The movement process of the weeding-shovel

除草鏟在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受到來(lái)自土壤的阻力F和力矩M，在軟件Autodesk Inventor Professional 仿真模塊中分別對(duì)仿生曲線型除草鏟和圓弧曲線型除草鏟進(jìn)行應(yīng)力分析，材料均選Q235鋼，力F為100 N，力矩M為1,經(jīng)計(jì)算仿生曲線型除草鏟的體積和質(zhì)量分別為6.18E+4 mm3和0.485 kg，圓弧型除草鏟的體積和質(zhì)量分別為6.48E+4 mm3和0.51 kg，可以看出仿生除草鏟體積和質(zhì)量都有所降低。

由圖13可知，在受到相同力和力矩的情況下仿生除草鏟產(chǎn)生的位移較小，即仿生除草鏟在除草過(guò)程中能承受更大阻力，應(yīng)力和應(yīng)變的最大值集中在孔附近，且仿生曲線型除草鏟的應(yīng)力應(yīng)變要小于圓弧曲線型除草鏟，除草鏟的除草效果將在后續(xù)研究中開(kāi)展。

注：a.仿生除草鏟位移圖;b.圓弧曲線型除草鏟位移圖Note:a.The displacement of biometric weeding-shovel; b.The displacement of normal weeding-shovel圖 13 除草鏟的位移圖Fig.13 The displacement of the weeding-shovel

3 結(jié)論

該研究以終生營(yíng)地下生活的土壤洞穴動(dòng)物——東北鼢鼠為研究對(duì)象，對(duì)東北鼢鼠爪趾的幾何結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了觀察和分析，重點(diǎn)觀察了其主要的挖掘工具―前爪第3趾，研究發(fā)現(xiàn)其前爪爪趾粗壯，尖而利，呈鐮刀狀，其中以第3趾最粗壯最大，前端端部呈楔型，這種結(jié)構(gòu)能減少應(yīng)力集中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，利于入土，并且其爪趾的排列方式與其他土壤洞穴動(dòng)物不同，這是長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，更有利于在土壤中挖掘；其挖掘方式大體可以分為掘土、踢土、推土、食物或障礙處理、修補(bǔ)洞道幾個(gè)步驟。利用MATLAB軟件對(duì)東北鼢鼠前爪中間趾進(jìn)行數(shù)字圖像處理，得到邊緣特征圖像，采用最小二乘法對(duì)邊緣特征數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)比較高斯函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)曲線方程，最終選擇多項(xiàng)式函數(shù)作為爪趾內(nèi)外輪廓的特征曲線方程。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，外輪廓曲線光滑平順，變化平緩，挖掘過(guò)程中能減少挖掘阻力，同時(shí)保證挖掘的洞道表面平整；內(nèi)輪廓曲線曲率特征變化較大，在掘土過(guò)程中土壤更易沿爪趾翻轉(zhuǎn)滑落。根據(jù)鼢鼠前爪中間趾內(nèi)輪廓曲線方程，設(shè)計(jì)了一種具有仿生結(jié)構(gòu)的苗間除草鏟，仿真結(jié)果表明仿生曲線型除草鏟在土壤中能承受更大阻力。

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