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Convergent evolution inspired serrated structure for improving efficiency of soil imprinting and its mechanism investigation

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International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2019年第4期12卷 16-26页

作者： Zhihong Zhang Ying Li Jin Tong stephen carr College of Agriculture and Food Kunming University of Science and TechnologyKunming 650500China United States Department of Agriculture Agricultural Research Service1680 Madison Ave.WoosterOhio 44691USA The Key Laboratory of Bionic Engineering Jilin UniversityChangchun 130025China International Soil and Water Renewables LLCSalemIndiana 47167USA

Remarkable geometrical similarities are found in digging claws of soil burrowing animals,in spite of the fact that they evolved *** on convergent evolution theory,this study innovatively proposed a bionic engineering perspective that focuses on general and analogous geometrical characteristics of soil *** was observed that soil animals with powerful burrowing ability have analogous serrated structures on their digging *** soil imprinting toothed wheel as the research object,the hypothesis that special serrated structures have the potential of reducing penetrating resistance from soil and enhancing digging efficiency for soil engaging component was *** convergent evolution inspired bionic serrated structures were utilized for the design of cutting edge on toothed ***,a toothed wheel that mounted with the conventional tooth and a bionic tooth were manufactured and tested in the soil *** showed that special bionic serrated structure could reduce the required draft force for toothed wheel;meanwhile increase the depth and volume of prepared *** was found that the soil-penetrating mechanism of the bionic toothed wheel behaved as saw cutting that similar to the digging behavior of soil burrowing *** of serrated structure has the ability to maximum stress concentrations in soil,thus increased the tendency of soil material to *** results indicate that the convergent evolution inspired bionic approach is novel and advantageous for the design of new soil engaging implements for working quality optimization and forward resistance reduction.

关键词： convergent evolution bionic serrated structure soil imprinting soil-engaging component bionic agricultural machinery

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克氏原鳌虾头胸部外骨骼微观结构和摩擦磨损特性

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农业工程学报 2018年第7期34卷 52-58页

作者：张智泓张广凯佟金赖庆辉高旭航唐莹 stephen carr 昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500 美国农业部农业应用技术研究中心伍斯特44691 吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130025 昆明医科大学电子显微镜实验室昆明650500 国际田间水土资源循环利用设施公司美国塞勒姆印第安纳州47167

为探索克氏原鳌虾(Procambarus clarkii)在泥浆中穿行的防黏耐磨机理,该文以克氏原鳌虾头胸部外骨骼作为研究对象,分析其无机元素含量和存在形态,观察其微观结构,并测量其硬度和弹性模量;对外骨骼进行摩擦磨损试验,考察其摩擦磨损特性,... 详细信息

为探索克氏原鳌虾(Procambarus clarkii)在泥浆中穿行的防黏耐磨机理,该文以克氏原鳌虾头胸部外骨骼作为研究对象,分析其无机元素含量和存在形态,观察其微观结构,并测量其硬度和弹性模量;对外骨骼进行摩擦磨损试验,考察其摩擦磨损特性,并观察磨痕的磨损形貌。试验表明,克氏原螯虾头胸部外骨骼中含有大量的钙元素,其中大部分以非晶结构存在,并含有少量碳酸钙;外骨骼表面具有凹坑、凸包和刚毛微观结构;螺旋夹板层具有蜂房结构,钙盐以针簇状分布在螺旋夹板层中;外骨骼硬度为0.503 GPa、弹性模量为18.019 GPa;摩擦因数呈跳跃式变化,最小时不足0.1,最大时接近0.8,磨损类型属于磨粒磨损。研究结果为农业机械触土部件表面防黏、耐磨的仿生设计提供理论依据。

关键词：微观结构摩擦硬度外骨骼微观结构弹性模量摩擦磨损

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Modeling the optical properties of twisted bilayer photonic crystals

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Light(Science & Applications) 2021年第9期10卷 1672-1679页

作者： Haoning Tang Fan Du stephen carr Clayton DeVault Olivia Mello Eric Mazur School of Engineering and Applied Sciences Harvard UniversityCambridgeMA02138USA Brown Theoretical Physics Center and Department of Physics Brown UniversityProvidenceRI02912USA

We demonstrate a photonic analog of twisted bilayer graphene that has ultra-flat photonic bands and exhibits extreme slow-light *** twisted bilayer photonic device,which has an operating wavelength in the C-band of the telecom window,uses two crystalline silicon photonic crystal slabs separated by a methyl methacrylate tunneling *** numerically determine the magic angle using a finite-element method and the corresponding photonic band structure,which exhibits a flat band over the entire Brillouin *** flat band causes the group velocity to approach zero and introduces light localization,which enhances the electromagnetic field at the expense of *** our original plane-wave continuum model,we find that the photonic system has a larger band *** band structure can easily be engineered by adjusting the device geometry,giving significant freedom in the design of *** work provides a fundamental understanding of the photonic properties of twisted bilayer photonic crystals and opens the door to the nanoscale-based enhancement of nonlinear effects.

关键词： twisted properties tunneling

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面向工程仿生的介观尺度动物肢体量化分析方法

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江苏大学学报（自然科学版） 2018年第1期39卷 49-56页

作者：张智泓李莹王蒙佟金赖庆辉高旭航 stephen carr 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 美国农业部农业应用技术研究中心俄亥俄州伍斯特44691 昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500 吉林大学工程仿生教育部重点实验室吉林长春130025 国际田间水土资源可持续利用公司印第安纳州塞勒姆47167

为了量化分析介观尺度(0.1~1.0 mm)动物肢体的几何结构特征,使用计算机视觉技术代替人的视觉鉴别过程,本研究将具有介观尺度几何特征的典型臭蜣螂(Copris ochus Motschulsky)前足胫节端齿选为研究对象,提出了一种量化分析方法.该方法使... 详细信息

为了量化分析介观尺度(0.1~1.0 mm)动物肢体的几何结构特征,使用计算机视觉技术代替人的视觉鉴别过程,本研究将具有介观尺度几何特征的典型臭蜣螂(Copris ochus Motschulsky)前足胫节端齿选为研究对象,提出了一种量化分析方法.该方法使用数码体视显微镜获取数字图像,使用软件Matlab作为程序的设计平台,设计程序排除数字图像中的干扰和噪声,并从图像中识别、检测,提取出臭蜣螂前足胫节端齿的外缘轮廓二维点云,以量化分析动物肢体的几何特征,最后验证该方法的准确性和可重复性.对于669×727像素的体视显微镜数字图像,对端齿外缘轮廓进行提取后,可获得约1 500外缘轮廓点,而且在灰度直方图示出的范围内选择不同的阈值没有明显改变曲线拟合的结果,证实了相对于传统方法,数字图像处理和计算机视觉分析方法能够准确有效地反映臭蜣螂的前足胫节端齿的外缘轮廓几何特征.

关键词：臭蜣螂仿生几何结构逆向工程边缘检测图像处理

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土壤表面微形貌加工对红壤坡面侵蚀定量调控

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排灌机械工程学报 2017年第8期35卷 700-708,730页

作者：张智泓王晓阳佟金赖庆辉张兆国高旭航 stephen carr 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 美国农业部农业应用技术研究中心俄亥俄州美国伍斯特44961 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130025 吉林大学工程仿生教育部重点实验室吉林长春130025 国际田间水土资源可持续利用公司印第安纳州美国塞勒姆47167

为科学地量化分析和准确评估土壤表面微形貌加工整地措施对红壤丘陵区坡耕地的土壤侵蚀调控作用,以衡量土壤表面微形貌加工作业对云南省红壤丘陵区坡耕地的适用性和有效性,进行了人工模拟降雨(240 min,55 mm/h),在不同坡面坡度(7.5°,9.... 详细信息

为科学地量化分析和准确评估土壤表面微形貌加工整地措施对红壤丘陵区坡耕地的土壤侵蚀调控作用,以衡量土壤表面微形貌加工作业对云南省红壤丘陵区坡耕地的适用性和有效性,进行了人工模拟降雨(240 min,55 mm/h),在不同坡面坡度(7.5°,9.0°,12.0°和15.0°)条件的试验小区进行径流试验,将产流量、产沙量和产流时间作为关键参数进行了测定.研究结果表明,在不同坡度的坡面,与控制组(土壤表面无微坑)相比,经土壤表面微形貌加工作业后的地表均可明显延长产流时间、减少产流量和产沙量,产流时间最大可延长51.18%,产流量最多可减小43.04%,产沙量最多减小25.14%.本研究可为南方红壤丘陵区坡耕地水力侵蚀的防治提供新的方法和数据基础.

关键词：土壤表面微形貌加工降雨集蓄水土流失侵蚀产流产沙模拟降雨

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克氏原螯虾头胸部外骨骼的微观形态观察和力学性能分析

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电子显微学报 2018年第2期37卷 171-177页

作者：张智泓张广凯佟金赖庆辉高旭航唐莹 stephen carr 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 美国农业部农业应用技术研究中心美国伍斯特俄亥俄州44691 吉林大学工程仿生教育部重点实验室吉林长春130025 昆明医科大学电子显微镜实验室云南昆明650500 国际田间水土资源循环利用设施公司美国塞勒姆印第安纳州47167

克氏原螯虾(Procambarus clarkii)栖息于中国南方潮湿、粘重的土壤中,体表具有优异的防粘脱附特性。为探索克氏原螯虾的体表防粘脱附机理,本研究用X-射线衍射仪、钨灯丝扫描电镜、扫描探针显微镜和X-射线荧光光谱仪分析观察了克氏原螯... 详细信息

克氏原螯虾(Procambarus clarkii)栖息于中国南方潮湿、粘重的土壤中,体表具有优异的防粘脱附特性。为探索克氏原螯虾的体表防粘脱附机理,本研究用X-射线衍射仪、钨灯丝扫描电镜、扫描探针显微镜和X-射线荧光光谱仪分析观察了克氏原螯虾头胸部外骨骼的成分和表面微观结构;用场发射扫描电镜和透射电镜观察了克氏原螯虾头胸部外骨骼中间层和截面特征;用纳米压痕仪测量了克氏原螯虾头胸部外骨骼的硬度。结果表明:克氏原螯虾头胸部外骨骼均含有Ca、P、Na和Mg等元素,以非晶的矿物质相存在;在外骨骼的表面分布有凹坑和凸包结构,并且在凹坑和凸包的一侧有多尺度刚毛存在,在凸包、凹坑非光滑表层还具有细微的沟槽结构,现出特殊的非光滑表面。克氏原螯虾头胸部外骨骼分为上表皮、外表皮和内表皮,外表皮和内表皮由螺旋夹板层构成,在外表皮上靠近上表皮之处具堆叠钙盐层。纳米力学测试得出克氏原螯虾头胸部外骨骼坚硬,其硬度和弹性模量分别是0.503 GPa和18.019 GPa。本研究为水田作业机械触土部件表面的防粘减阻仿生设计提供参考和依据。

关键词：克氏原螯虾仿生材料微观结构力学性能电子显微镜

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土壤表面微形貌加工技术及其在南方丘陵山区坡耕地的应用前景

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云南农业大学学报（自然科学版） 2018年第6期33卷 1163-1174页

作者：张智泓王晓阳佟金赖庆辉张兆国高旭航 stephen carr 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 United States Department of Agriculture Agricultural Research Service OH 44961 Wooster USA 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130025 International Soil and Water Renewables LLC Salem 47167 Indiana USA

坡耕地的水土流失和季节性干旱对地区生态环境和农业生产造成严重负面影响。近年来,一种通过改变田间微观地貌以实现集雨目的的新型整地方式,即土壤表面微形貌加工在国外得到快速发展,并成为解决这一问题的关键。本文针对土壤表面微形... 详细信息

坡耕地的水土流失和季节性干旱对地区生态环境和农业生产造成严重负面影响。近年来,一种通过改变田间微观地貌以实现集雨目的的新型整地方式,即土壤表面微形貌加工在国外得到快速发展,并成为解决这一问题的关键。本文针对土壤表面微形貌加工技术的作业原理、在国内外不同地区作业实现的作业效果、当前作业采用的主要机具进行了系统的描述和归纳,阐明该技术可有效控制坡耕地水土流失并提高水资源利用效率。结合南方丘陵山区坡耕地实际特点,对土壤表面微形貌加工技术的应用前景和潜在价值进行了探讨和展望,认为该技术可对云南省坡耕地降雨地表径流加以综合利用,以达到控制水土流失和缓解区域干旱缺水的双重目的。

关键词：雨水集蓄土壤表面微形貌加工旱作农业水土流失季节性干旱

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美国土壤印痕装置的耕地水土流失防治效果

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农业科技与装备 2014年第11期 46-48页

作者：陈文岳许亚俊 stephen carr 石江宋亮赵琳徐一平杭州市农业科学研究院杭州310024 萧山区农业科学研究所杭州311201 美国TerraManus科技有限责任公司奥尔良47452

结合美国防治耕地水土流失的技术现状及研究进展,详细介绍一种土壤条件改良新方法――土壤印痕装置Terra Star。从理论上探讨该装置系统的产品特点和技术原理,并通过耕地水土流失、大豆直播栽培等对比试验加以验证。理论分析和试验结果... 详细信息

结合美国防治耕地水土流失的技术现状及研究进展,详细介绍一种土壤条件改良新方法――土壤印痕装置Terra Star。从理论上探讨该装置系统的产品特点和技术原理,并通过耕地水土流失、大豆直播栽培等对比试验加以验证。理论分析和试验结果表明:该装置与同类方法或装置相比较,具有极大的先进性和优越性,对有效保护耕地具有积极作用。

关键词：土壤印痕装置耕地水土流失美国免耕

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凸齿镇压器作业过程的运动学与动力学分析

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安徽农业科学 2016年第5期44卷 316-321,333页

作者：张智泓张广凯佟金 stephen carr 赖庆辉张兆国方秋容昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130025 吉林大学工程仿生教育部重点实验室吉林长春130025 International Soil and Water Renewables LLC Indiana Salem 47167 US

[目的]基于理论推导建立凸齿镇压器作业过程中的运动学和动力学模型。[方法]根据运动学中刚体做平面运动的瞬心定理和牵连运动为平动时质点的加速度合成定理,建立凸齿镇压器在不同工作阶段的运动参数模型;根据动力学中的动量定理、动能... 详细信息

[目的]基于理论推导建立凸齿镇压器作业过程中的运动学和动力学模型。[方法]根据运动学中刚体做平面运动的瞬心定理和牵连运动为平动时质点的加速度合成定理,建立凸齿镇压器在不同工作阶段的运动参数模型;根据动力学中的动量定理、动能定理和冲量定理,建立凸齿镇压器工作状态中所需牵引力、凸齿与地面作用瞬间产生的冲击力和冲击能的参数模型。[结果]凸齿镇压器作业过程中所需的牵引力随着凸齿镇压器的自身质量和滚动阻力系数的增加而增大,而凸齿镇压器转动惯量的增加会降低凸齿镇压器所需牵引力;冲击过程中,凸齿镇压器的牵引速度越大、质量和转动惯量越大、冲击时间越短,则冲击力越大;凸齿镇压器冲击土壤时的冲击能随着凸齿的转动惯量、质量和质心竖直向下移动距离的提高而增加,而随土壤的弹性系数与土壤的塑性变形量的增加而减小。[结论]建立了凸齿镇压器在不同工作状态下运动学及动力学模型,分析并揭示了凸齿镇压器结构参数与运动参数间的相互联系,探索了凸齿镇压器冲击土壤的特征规律,为设计和优化其结构参数和运动参数提供了理论依据。

关键词：凸齿镇压器土壤表面微形貌加工理论力学运动学模型动力学模型

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基于有限元方法的凸齿镇压器运动学和动力学分析

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安徽农业科学 2016年第2期44卷 325-329页

作者：张智泓张广凯佟金 stephen carr 赖庆辉张兆国方秋容昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130025 吉林大学工程仿生教育部重点实验室吉林长春130025 International Soil and Water Renewables LLC

为探索凸齿镇压器在作业过程中的运动学和动力学特性,基于验证有效性后的有限元模型,求解了凸齿镇压器外缘点运动轨迹和速度以及加速度随时间的变化规律曲线。结果表明:轮缘点所在凸齿冲击土壤的行为并未在轮缘点竖直方向速度最大时完成... 详细信息

为探索凸齿镇压器在作业过程中的运动学和动力学特性,基于验证有效性后的有限元模型,求解了凸齿镇压器外缘点运动轨迹和速度以及加速度随时间的变化规律曲线。结果表明:轮缘点所在凸齿冲击土壤的行为并未在轮缘点竖直方向速度最大时完成;凸齿镇压器轮缘外一点的绝对运动轨迹呈波动状态的余摆线形式;凸齿镇压器轮缘点在接地位置有与前进方向相反的相对滑动。

关键词：凸齿镇压器土壤表面微形貌加工有限元方法运动轨迹求解运动学和动力学分析

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