这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
一、研究团队与发表信息
本研究由Ranbing Yang（海南大学机电工程学院）、Guiquan Zhou（海南大学机电工程学院）、Dongquan Chen（海南大学信息与通信工程学院）等合作完成，通讯作者为Xiantao Zha（海南大学热带高效农业装备教育部重点实验室）。研究发表于期刊INMATEH - Agricultural Engineering（2024年，第74卷第3期），DOI编号为10.35633/inmateh-74-56。
二、学术背景与研究目标
科学领域：农业工程与仿生机械设计，聚焦热带红壤区木薯收获机的减阻优化。
研究背景：
1. 问题导向：海南热带红壤黏重、阻力大，传统木薯挖掘铲易堵塞且能耗高，影响收获效率。
2. 仿生学应用：已有研究表明，仿生结构（如野猪拱嘴、鼹鼠趾爪）可降低土壤接触部件的阻力（Cui et al., 2019; Zhang et al., 2022）。
3. 技术空白：针对红壤特性的仿生挖掘铲设计缺乏系统性参数优化。
研究目标：基于兔子前爪的几何特征，设计仿生挖掘铲，通过离散元仿真（DEM）与田间试验验证其减阻与碎土性能。
三、研究流程与方法
1. 仿生原型设计与建模
- 研究对象：成年Giron兔前爪（爪宽3 cm，扫描精度0.023 mm）。
- 技术方法：
- 使用高精度3D扫描仪获取爪趾点云数据，通过FreeScan Trak软件去噪并生成STL格式模型（图5）。
- 提取爪趾外轮廓曲线（图6），利用MATLAB拟合4条多项式方程（式18-21），拟合度R²>0.99。
- 基于SolidWorks重构仿生铲三维模型：
- Type 1：仅应用外轮廓曲线（y1-y4）；
- Type 2：增加爪趾拱形结构（图8c）。
2. 离散元仿真（EDEM-RecurDyn耦合）
- 土壤与木薯建模：
- 土壤颗粒：按粒径分为4类（>5 mm四球模型、2-5 mm三球模型、 mm单球模型）（图9）。
- 木薯模型：基于海南田间数据，茎长60 cm、半径4 m，离散元填充（图10）。
- 参数设置：采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型，黏性红壤参数如表1（如土壤-铲静摩擦系数0.56）。
- 仿真设计：
- 正交试验：分析铲齿长度（220-260 mm）、宽度（65-85 mm）、倾角（50°-60°）对阻力和碎土率的影响，共17组BBD试验（表2-3）。
- 评价指标：挖掘阻力（N）、粘结键破碎率λ（式22）。
3. 田间试验验证
- 试验设备：改装木薯收获机（图16），安装压力传感器实时监测阻力（图17）。
- 测试条件：挖掘深度310 mm、前进速度300 mm/s，对比普通铲、Type 1和Type 2仿生铲。
- 数据采集：
- 碎土效果：筛分土壤（粒径≥20 mm占比），Type 2仅11.92%，优于普通铲（18.94%）（表6）。
- 阻力数据：Type 2平均阻力1600.316 N，较普通铲降低15.19%（表7）。
四、主要研究结果
- 仿真优化结果：
- 最优参数组合：铲长220 mm、宽65.1 mm、倾角60°，阻力1733.66 N，碎土率92.9%。
- 交互效应：铲宽对阻力影响最大（p<0.01），倾角主导碎土率（p<0.05）（图14-15）。
- 田间验证：
- Type 2在310 mm深度下阻力降低9.21%（仿真）与15.19%（试验），误差<10%，验证模型可靠性。
- 碎土均匀性：Type 2土壤破碎更细（图18），符合热带红壤作业需求。
五、结论与价值
科学价值：
1. 提出基于兔子爪趾曲线的仿生设计方法，量化几何特征对减阻的贡献。
2. 建立EDEM-RecurDyn耦合仿真框架，为黏重土壤-机械互作研究提供新工具。
应用价值：Type 2仿生铲可显著降低木薯收获机能耗（阻力降幅>9%），提升碎土效率（碎土率>92%），适用于海南等高黏土地区。
六、研究亮点
- 多学科融合：结合仿生学、离散元仿真与田间试验，系统性优化设计参数。
- 创新设计：首次将兔爪拱形结构引入挖掘铲，降低过渡板土壤堆积（图12c）。
- 高精度建模：通过3D扫描与多项式拟合，精确复现生物几何特征（R²>0.99）。
七、其他价值
- 资助支持：国家自然科学基金（5226050106）资助，推动热带农业装备研发。
- 数据公开：仿真参数（表1）与代码方程（式18-21）为后续研究提供基准。
该研究为热带作物收获机械的节能设计提供了理论和实践参考，其仿生优化方法可扩展至其他土壤作业工具的开发。