自然界中的许多土壤洞穴动物都能在土壤中运动而体表不粘土，如蚯蚓、蝼蛄、蜣螂和鼹鼠等。通过对这些动物的行走和挖土过程的研究，将这些生物挖土的部位进行仿生研究，并将其应用到减粘减阻方面，取得了显著的效果。通过对这些土壤洞穴动物的研究发现，仿生学在土壤减粘减阻方面具有广阔的应用空间。

仙姑弹琴蛙作为一种典型的黏湿土壤洞穴动物，具有很强的环境适应能力，发现仙姑弹琴蛙筑浅浅的泥窝用来产卵，它可以在泥窝中活动自如，仙姑弹琴蛙的这种生活习性给我们在解决稀泥环境中作业机械的工作部件与稀泥的粘附问题带来了启示。

从仿生学角度出发，研究仙姑弹琴蛙的体表粘液、体表几何结构、身体弹性和生物活性对稀泥粘附的影响。以期通过对仙姑弹琴蛙的研究对工程上的减粘减阻起到重要作用。

仙姑弹琴蛙体表形貌分析

仙姑弹琴蛙属于脊椎动物门两栖纲无尾目动物，分布在我国云南、四川等地区，多生长在山区静水的池塘旁边，穴居在泥土中。仙姑弹琴蛙的躯体比较肥硕,头部扁平，头部成三角形且头长略大于头宽。

雌雄比较容易区分，雄蛙口角后上方各有一个红褐色外声囊;腹部体表非常光滑，背部和腿部有黑褐色的斑纹，背部有少许扁平疵:一般后肢长于前肢，后肢比较发达，后肢用来跳跃和挖洞，后肢有股、胫、跆、蹈、趾五部分组成，趾与趾之间有璞;前肢由上臂、前臂、腕、掌、指五部分组成，指间无蹊，前肢一般用于交配时抱对。

仙姑弹琴蛙成蛙的平均长度为雄蛙45mm、雌蛙47mm，重量在8.5g~15.7g.一般生长在海拔900m~1600m的山区的池塘里。研究发现，大多数的雄性仙姑弹琴蛙为了吸引雌性都会自己筑泥窝 ，与雌蛙在泥窝中交配产卵，卵在泥窝中孵化成蟒蚪。

为了使螂蚪很好的成长，雄性仙姑弹琴蛙一般将泥窝建在水池旁边，泥窝的洞口略高于水池的水面，洞底又低于水池的水面，这样既保证洞内在蟒蚪发育期间长期有水，又避免水量过大淹没泥窝。仙姑弹琴蛙的泥窝形状建造的非常特别，洞口较小，可以用来防御天敌；中间部分较大，可以保证在交配过程有足够的空间，又能满足蟒蚪的生长需求。

仙姑弹琴蛙在稀泥中打洞的能力是生物长期进化的结果。通过观察发现，仙姑弹琴蛙能够在泥洞中活动自如，并且体表粘附极少，这一不粘泥的特征可能与仙姑弹琴蛙的体表几何结构和体表液有关。试验中的仙姑弹琴蛙成体采集于四川省峨眉山海拔1300m~1500m的七里坪的池塘附近。

仙姑弹琴蛙表面的微观特征

土壤洞穴动物体表普遍具有几何结构特征。利用这一特征进行触土部件的减粘减阻的仿生研究表明，土壤洞穴动物体表的结构单元形状、尺寸及分布对土壤减粘具有显著的影响。因此，为了得到更多的体表结构信息，对生物的体表形貌研究是必要的。

利用体视显微镜和扫描电子显微镜分析仙姑弹琴蛙体表的结构特征，旨在揭示仙姑弹琴蛙体表几何结构对土壤粘附的影响。

体表形态的体视显微分析

采用的主要仪器是XTJ-30 型体视显微图像电脑分析系统，XTJ-30 型体视显微图像电脑分析系统可以放大的最大倍数是90倍。利用体视显微镜可以观察到所研究区域的形状、大小、颜色等形貌特征。用该仪器主要对仙姑弹琴蛙的头部、背部、腹部、腿部的表面形貌和爪部结构进行观察。

仙姑弹琴蛙不同部位体表细观形貌以及前爪和后爪结构。可以发现，仙姑弹琴蛙体表的不同部位具有不同的细观形貌，其中包括凸包和凹陷，这种几何结构可能是仙姑弹琴蛙粘附较少的主要原因。

仙姑弹琴蛙头部体表的细观结构，仙姑弹琴蛙的头部颜色为黑褐色，均匀密布着凸包，且凸包之间形成了不规则的凹陷，一方面这种结构在一定程度上增加了仙姑弹琴蛙体表的表面积。

由于蛙除了用肺来呼吸外，蛙在水中呼吸时，需要体表皮肤来辅助呼吸，这样增加的体表表面积有利于提高蛙体表皮肤的呼吸作用；另一方面仙姑弹琴蛙的头部用来辅助打洞，这种几何结构一定程度上可以起到减少土壤粘附的作用。

仙姑弹琴蛙背部体表的细观结构，仙姑弹琴蛙的背部密集分布着不规则的浅黄色结构单元，在这些结构单元之间分布着凸起的黑色腺体，这些黑色腺体将背部体表分割成了一个个凹陷，并且在仙姑弹琴蛙受到某些刺激时，这些腺体分泌体液，这些体液首先储存在腺体形成的凹陷中，可以减小体表的水分蒸发速度，使体表始终处于比较湿润的状态，可以降低表皮的稀泥粘附。

此外，这些腺体可以分泌一些色素，这些色素可以调节青蛙体表颜色发生变化以适应周围环境的颜色，同时分泌的色素对太阳辐射的吸收，保证生命活动健康进行。

仙姑弹琴蛙腿部体表的细观结构，仙姑弹琴蛙的腿是打洞的主要部位，仙姑弹琴蛙腿部有上表面体表和下表面组织，下表面组织结构和腹部结构相似，上表面体表结构分布一些凸包结构，且在一些凸包与凸包形成的凹陷之间内嵌着一些色素细胞，这些色素细胞和背部的黑色腺体功能相类似，可以调节体表颜色，形成保护色和增加体表吸收太阳辐射的能力。

仙姑弹琴蛙腹部体表的细观结构，仙姑弹琴蛙腹部一般为白色透明，这种白色透明的结构单元之间密集的分布着色素细胞，白色透明的腹部可以提高在水中的隐蔽性，降低在水中被捕食的概率。

仙姑弹琴蛙头部体表扫描电镜照片。可以发现密集分布的凸包，这些凸包大多数成圆形，半径在20μm—40μm之间。凸包与凸包之间的间隔一般在20μm—50μm之间。

仙姑弹琴蛙背部体表扫描电镜照片。可以发现一些不规则的凸起，凸起与凸起之间又形成了和凸起尺寸大小相当的凹陷，这些凸起没有固定的形状，凸起的长度在40μm—70μm之间，宽度在20μm—40μm之间，与头部电镜照片对比发现，背部凸起排列比头部凸包排列疏松。

蛙腹部体表扫描电镜照片。可以发现腹部的微观单元一般成凸起的多边形结构，多边形结构分布明显，其尺寸在40μm—60μm之间。并且在某些多边形的中间有一个凹陷，在这个凹陷内镶嵌着一个尺寸直径在20μm—40μm的腺体结构。

腿部体表扫描电镜照片。可以发现，腿部表面分布有圆形凸包，凸包大小比较均匀，半径在25μm左右。凸包与凸包之间的间隔在40μm—80μm之间。

仙姑弹琴蛙背部试样的接触角大于90°，其表面呈一定程度的疏水性；后肢不同部位的接触角相差不大，呈一定的亲水性；腹部的接触角明显小于后肢部位的接触角，具有很强的亲水性；头部的接触角介于腹部和后肢之间，呈一定的亲水性。

仙姑弹琴蛙的三维扫描及处理

仙姑弹琴蛙的逆向工程研究

仙姑弹琴蛙具有很好的打洞本领，雄性仙姑弹琴蛙通过筑造“豪华”的洞穴，来吸引雌性。并且发现在比较湿润的环境中，雄性仙姑弹琴蛙主要通过后肢将身体下的泥土向左右两侧扒出，身体尾部向泥窝中楔入；对于在稀泥环境中，仙姑弹琴蛙采用后肢做支撑，将头部钻进稀泥中。因此在对挖泥机构仿生研究时，仙姑弹琴蛙的三角头型结构和后肢结构具有很好的借鉴意义。

此外，仙姑弹琴蛙还是游泳健将，其游泳方式与身体结构密切相关，观察发现，仙姑弹琴蛙的身体从头部向尾端来看，身体呈梭形，这种结构可以减少仙姑弹琴蛙在游动过程的阻力。因此研究仙姑弹琴蛙的背部曲线对于流体减阻具有重要的意义。

对仙姑弹琴蛙的头部、后肢及背部的三维特征进行研究，通过采集这些部位的三维几何信息，并对采集到的典型特征数据进行介绍，建立所需要的三维模型，提取三维模型的特征曲线，并对特征曲线进行分析，以利于其应用到工程仿生领域。

逆向工程又称反求工程，是一种从产品原型出发，通过一系列的技术手段对原型的结构信息进行数据采集，并对采集到的数据处理，构建出原型产品形状结构的三维模型。从仿生学的角度出发，逆向工程从生物原型出发，获得生物特征数据，并对获得的数据优化处理，然后构建出所需要的特征曲线或曲面，将优化后的特征曲线或曲面应用到工程仿生中。

逆向工程属于一种高效率的设计手段，可以大大缩短产品的设计周期，对已经存在的产品进行优化设计，可以快速、有效地解决产品存在的一些设计问题，从而提高产品研发水平。

仙姑弹琴蛙的压力特性分析

在对生物仿生脱附的研究发现，许多土壤洞穴动物的身体结构都有一定的柔性和弹性。这种柔性是指生物的身体结构发生大的非线性变形后恢复的特性。通常生物的柔性层和弹性都能储存和释放能量，可以降低与土壤的粘附力和摩擦能。

而且还有一些土壤洞穴动物通过柔性单元间的互相揉动脱掉粘附的土壤，由此可见，生物柔性和弹性对于生物减粘脱附具有重要的作用 。所以，对仙姑弹琴蛙体表弹性测量具有重要意义,本章采用电子拉压力测试系统对仙姑弹琴蛙体表弹性进行了测量，并对其压力特性进行了分析。

用QT-1186电子拉压力测试系统对仙姑弹琴蛙的身体进行弹性测量，将测量的数据进行统计分析，然后对分析结果进行拟合曲线。用Matlab软件对拟合曲线进行了回归分析，并得到其一阶导数和二阶导数变化趋势。

仙姑弹琴蛙体表与土壤的粘附

了对仙姑弹琴蛙减粘特性展开的研究，在现有试验条件下，改装可以测量微小粘附力的测量系统，设计试验卡具。确定影响仙姑弹琴蛙的土壤粘附力的四个因素分别为：仙姑弹琴蛙的体表液、仙姑弹琴蛙的体表几何结构、仙姑弹琴蛙的体表弹性以及仙姑弹琴蛙的活性（死蛙与活蛙的土壤粘附效果）。

然后对确定的影响因素进行了试验验证。

在试验确定的各含水量条件下，通过对比铝试样和仙姑弹琴蛙体表试样粘附力试验数据，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。

通过对比铝试样和粘贴仙姑弹琴蛙体表的铝试样的土壤粘附力测试，在含水量为23%db时，减阻率为26.7%；含水量为26%db时，减阻率为28.7%；含水量为29%db时，减阻率为34.7%；含水量为32%db时，减阻率为43.2%；含水量为35%db时，减阻率为59.6%。仙姑弹琴蛙体表的减阻率随含水量的增加而增大，在试验条件下，仙姑弹琴蛙体表的最大减阻率为59.6%而且含水量越大减阻效果越明显。

通过对比粘贴仙姑弹琴蛙体表的铝试样和仙姑弹琴蛙死蛙的粘附力测试，发现仙姑弹琴蛙死蛙的土壤粘附力均小于相同含水量条件下未涂体表液蛙皮铝试样的土壤粘附力。当含水量为26%db时，减阻率最大，达到18.2%；当含水量为35%db时，减阻率最小，达到3.9%。仙姑弹琴蛙体表弹性具有很好的减阻效果。

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。

结语：

土壤粘附是制约着农业机械触土部件发展的一个重要技术难题。在农业生产过程中，土壤粘附降低了工作效率和工作质量，为了解决土壤粘附问题，各国专家进行了许多尝试。

仙姑弹琴蛙的体表形貌特征，很可能帮助农业机械攻克粘土粘附的的难题！