设计和评估受生物启发的跑鞋，以提高在复杂地形中的牵引力和移动性

山羊蹄仿生轨道鞋提升黏土斜坡抓地力研究

Fu Zhang|Le Yang|Xinyue Wang|Yakun Zhang|Yumei Liu|Sanling Fu

河南科技大学农业装备工程学院，中国洛阳471003

摘要

在丘陵和山区进行农业作业时，履带车辆的机动性至关重要。然而，传统的履带设计在富含粘土的斜坡上常常存在附着力不足和过度打滑的问题。尽管自然界为这类环境提供了高效的移动模型，例如萨能山羊（Capra hircus），但如何将山羊蹄的形态和运动力学有效地转化为工程结构以解决这些牵引力不足的问题仍然是一个未解决的挑战。为了解决这一挑战，开发了一种仿生履带鞋，模仿山羊蹄的力-结构耦合特性。通过在粘土土壤上进行界面剪切测试，并结合离散元方法（DEM）仿真框架，优化了单元间距、高度和排列方式。随后，设计了一种具有40°蹄瓣开口角的复合结构，并通过使用增材制造的热塑性聚氨酯履带进行了土壤沟槽测试进行了验证。优化后的配置（间距4毫米，高度3毫米，双排排列）实现了6.89牛顿的附着力，相比直板履带提高了14.07%。值得注意的是，带有蹄瓣的复合结构进一步提升了附着力，比优化的单仿生设计提高了6.24%，相比传统的刺状履带提高了21.19%。这些结果表明，受山羊蹄启发的结构为提高农业车辆的牵引性能提供了一种可行的方法，有助于在复杂地形中改善机动性和操作安全性。

引言

附着力是由于金属表面与土壤之间的相对运动而产生的，这对土壤与工具之间的相互作用有显著影响（Cheshomi等人，2023年）。粘土土壤具有高塑性和易于聚集等复杂的力学特性（Lin等人，2022年），因此特别容易发生土壤与工具之间的粘附。在粘性土壤条件下，土壤对履带的粘附会降低抓地力并导致过度下沉（Vidoni等人，2015年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b）。此外，粘附还会导致驱动力不足和严重的打滑，从而大大限制了履带车辆的作业效率（Janarthanan等人，2024年）。因此，通过减少粘附来提高牵引性能是研发适用于丘陵和山区农业履带车辆的主要目标。

为了解决这些挑战，以往的研究广泛采用了Bekker的半经验方法来研究粘附对软地面履带车辆的影响（Liu等人，2024年；Xi等人，2025年）。在Bekker（1956年）方法的基础上，Shaikh等人（2021a；Shaikh等人，2021b）具体研究了不同土壤含水量下单个履带鞋的牵引性能与履带鞋高度之间的关系。同样，Fu等人（2023年）关注了几何参数，研究了刺状高度、厚度和开口角对黑粘土条件下履带鞋粘附力的影响。然而，随着计算技术的进步，数值方法越来越多地被用来评估复杂的工具几何形状和动态土壤行为（Wang等人，2019年；Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b；Zhang等人，2025c）。例如，Luo等人（2024年）提出了一种结合离散元和多体动力学的方法来模拟仿生爪的附着过程并分析其力学特性。为了填补复杂环境理论框架的空白，Han等人（2026年）利用行走轮脚研究了湿软土壤中的固体-土壤相互作用。此外，Yang等人（2024年）开发了一种压力-沉降模型，用于分析在山坡上运行的履带拖拉机的地面压力分布。

仿生学的快速发展为提高履带粘附性能提供了新的策略。将动物蹄部的优越生物结构特征融入到车辆与土壤接触部件的设计中，是改善复杂环境中通过性的有效手段（Ma等人，2015年；Xu等人，2019年）。Ding等人（2024年）和Li等人（2025年）分别从水牛蹄的几何特征中获得了灵感，设计了履带齿和深海采矿用耙齿。同样，Liu等人（2022年）分析了北极熊的爪力分布，以改善在雪地上的牵引力，而Gan等人（2022年）则设计了受鸵鸟脚在沙地中行走机制启发的履带板。然而，这些设计主要是针对平坦或柔软的基底进行优化的，并未完全适应陡峭的坡度。相比之下，萨能山羊具有强健的四肢骨骼结构和灵活的步态运动学，这些特性是专门为高坡度稳定性进化而来的（Zhang等人，2016年）。因此，它们特有的力-结构耦合机制使其成为在丘陵和粘土环境中运行的农业机械的理想原型。

从生物力学的角度来看，山羊蹄与地面之间的相互作用是运动稳定性的基本决定因素（Xu等人，2020年），主要受肢体和蹄部压力动态变化的影响。为了阐明这些稳定性机制，以往的研究建立了关于运动静态-动态平衡的理论模型（Zhang等人，2018a；Zhang等人，2018b）以及蹄部球状结构的数学表示（Zhang等人，2020年）。在此基础上，后续研究系统地分析了特定的生物结构特征，包括蹄部轮廓、瓣片张力角和蹄部球状结构的宏观结构（Zhang等人，2022a；Zhang等人，2022b），以及蹄底功能分区之间的压力传递机制（Zhang等人，2024年）。总体而言，这些研究提供了多角度的理解，揭示了影响山羊在斜坡上运动稳定性的因素。

虽然仿生设计显著提高了履带车辆在复杂地形中的通过性，但现有研究主要集中在静态几何特征上，往往忽略了生物结构与土壤之间的动态力-结构耦合机制。特别是，尽管萨能山羊在陡坡上具有出色的机动性，但其蹄瓣开口角与富含粘土的土壤之间的精确相互作用机制仍缺乏探索。为了填补这一空白，本研究采用CT重建和离散元方法（DEM）仿真来阐明40°蹄瓣角度的生物力学优势。通过理论分析和土壤沟槽实验验证，结果表明这种优化配置通过增强土壤挤压和界面剪切显著提高了牵引性能。

部分摘录

山羊蹄底的医学成像重建

蹄底与土壤的长期相互作用会导致蹄壁远端边缘出现不同程度的磨损。为了定量描述这些形态变化，本研究使用了计算机断层扫描（CT）和点云处理，结果如图A1所示。在分割之前，如图A1（c）所示，使用多平面重建视图对蹄样本在水平面上进行了空间对齐。随后，进行了阈值分割

界面剪切强度分析与预测

为了表征剪切强度与仿生间距（A）、正应力（$\text{σ}$）和土壤含水量（ω）之间的关系，应用SPSS对实验数据集进行了多元线性回归分析，得到的公式如下：

图A6展示了橡胶履带板与土壤界面处的剪切应力-位移行为。补充说明的是，表A4列出了回归评估指标，而图A7（a）

界面剪切强度的机制

关于土壤含水量的影响，结果显示土壤含水量与剪切强度之间存在显著的负相关（Jin等人，2025年；Lin等人，2025年）。随着土壤含水量从0%增加到25%（w/w），所有正常载荷水平下的剪切强度都显著下降（Chen等人，2025年）。从机制上讲，这种下降可能是由于土壤颗粒之间形成了润滑水膜，减少了颗粒间的摩擦和凝聚力，

结论

本研究基于萨能山羊蹄的形态开发了一种仿生履带鞋，以提高在富含粘土的斜坡上的牵引性能。结论如下：

• 1)
  通过仿真和正交实验设计优化了仿生履带鞋的结构参数。仿生履带-土壤界面测试表明，界面剪切强度随齿间距的增加而增加，随含水量的增加而降低。多元线性回归模型显示

CRediT作者贡献声明

Fu Zhang：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，项目管理，数据管理。Le Yang：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，正式分析，数据管理，概念化。Yakun Zhang：软件，项目管理，资金获取。Xinyue Wang：验证，软件，方法学，正式分析。Yumei Liu：软件，监督，验证。Sanling Fu：可视化，验证，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52075149）、河南省重点研发项目（编号：251111110800）、河南科技大学青年骨干教师计划（编号：13450009）以及洛阳市科技创新领军人才的支持。河南省科技研究项目（编号：252102521059）。