仙姑弹琴蛙的体表特征与粘附特性分析

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本研究从仿生学的角度出发,以仙姑弹琴蛙为研究对象。利用体视显微镜和扫描电子显微镜观察仙姑弹琴蛙的表面几何结构特征,然后对不同部位的微观结构进行分析对比。并采用水接触角测量仪测量仙姑弹琴蛙不同部位(头部、背部、大腿、腹部、小腿和爪部)的接触角,结果表明仙姑弹琴蛙背部试样接触角大于90°,背部试样为疏水材料;其余部位试样的接触角均小于90°,其余部位试样均为亲水材料。采用逆向工程技术,使用三维激光扫描系统获得仙姑弹琴蛙背部、头部和后肢外形轮廓点云,在EDS Imageware软件中进行模型重构,根据仙姑弹琴蛙不同身体部位的功能不同,对所需部位功能的结构特征进行特征曲线提取,并将提取到的特征点云进行坐标转换,将转换后的坐标用Matlab软件进行曲线拟合,得到拟合曲线方程。并对曲线方程进行曲率分析,揭示仙姑弹琴蛙背部、头部和后肢的特征。采用电子拉压力测试系统对仙姑弹琴蛙的身体进行弹性测量,得到了仙姑弹琴蛙身体压强随压缩距离变化的拟合曲线方程: y=1.4034x4-9.264x3+24.7541x2-10.3533x+1.8199,然后用Matlab软件对方程进行了回归分析,并对其一阶导数和二阶导数进行对比分析。土壤动物一般具有优异的减粘脱土功能,数量庞大的土壤动物为仿生学的发展提供了便利。仙姑弹琴蛙是一种生活在黏湿土壤环境中的动物,具有优异的减粘功能。皮肤表面的微观几何结构、体表粘液、身体弹性和生物活性可能是其减粘的主要原因,通过对比试验发现具有仙姑弹琴蛙微观结构的试样具有更好的减粘效果,而且随着含水量的增加减阻效果越明显,在含水量为35%db时,减阻率为59.6%;在选定的试样条件下,发现涂敷仙姑弹琴蛙体表液都能使粘附力增加,而且仙姑弹琴蛙体表试样涂敷体表液后阻力增加明显,这主要是因为仙姑弹琴蛙体表几何结构导致空气负压对仙姑弹琴蛙体表试样的影响大于对铝试样的影响;通过试验对比发现,仙姑弹琴蛙体表弹性也具有很好的减阻效果,含水量为26%db时,减阻率最大,达到18.2%;通过对比粘贴仙姑弹琴蛙活蛙和仙姑弹琴蛙死蛙的土壤粘附力的测试,发现仙姑弹琴蛙死蛙的土壤粘附力均大于相同含水量条件下仙姑弹琴蛙活蛙的土壤粘附力,且当含水量为29%db时,减阻效果最明显,减阻率最大,达到6.3%。通过各对比试验结果发现,试验前选定的四个因素对仙姑弹琴蛙的土壤粘附力影响最明显的是仙姑弹琴蛙的体表形貌,最大减阻率为59.6%。并且在每组试样的土壤粘附力试验中,粘附力均随含水量的增加而增大。
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