摘要
模仿自然设计被用于降低农业用土壤处理部件的高运行阻力，从而减少能源消耗。然而，现有的大多数基于轮廓的结构模仿设计都依赖单一或少数生物样本，这使得设计结果容易受到样本选择中的个体差异和随机性的影响。为了解决这个问题，本研究以蚁狮幼虫的腹部作为生物原型。从正面、顶部和侧面提取了85只蚁狮幼虫的腹部轮廓，然后利用椭圆傅里叶描述符对轮廓进行标准化、平均化和重建，从而得到群体平均轮廓。基于这些群体平均轮廓设计了7种模仿设计的楔形样品，并在两种不同的介质中进行了垂直穿透试验和水平切割试验。试验结果表明，在垂直穿透试验中，结合了正面和顶部轮廓特征的B-FT样品具有最佳的减阻效果。其在石英砂和壤土中的平均穿透阻力分别降低了44.26%和32.81%。在水平切割试验中，结合了三个视角轮廓特征的B-FTS样品显示出最低的平均切割阻力，其阻力分别降低了17.62%和36.47%。此外，FST轮廓特征还被应用于耕作齿的模仿设计，并通过离散元法模拟和土壤箱试验进行了验证。与标准耕作齿相比，这种模仿设计的耕作齿在模拟试验中的牵引力降低了11.57%，在土壤箱试验中的牵引力降低了12.61%。这些结果证明了群体平均轮廓的减阻效果，也为农业用土壤处理部件的模仿设计提供了具有统计学依据的几何参考。
