一种仿生沙漠鞋底结构-科创中国●保定云

一种仿生沙漠鞋底结构

成果描述

本发明公开了一种仿鸵鸟足底结构的仿生沙漠鞋底结构，其是由鞋底中间的仿生凹面结构、鞋底前端的仿生防滑结构、鞋底两侧的固沙限流结构、鞋底后跟的仿生冠状鞋跟和过渡结构构成，过渡结构的后端与仿生冠状鞋跟相邻，过渡结构的前端与固沙限流结构和仿生凹面结构相邻；仿生凹面结构和固沙限流结构共同构成一个空腔结构，空腔结构可降低沙地行走沉陷，增强前行沙面摩擦及推力，提高沙地行走效率；仿生防滑结构和仿生冠状鞋跟可减少沙地滑移，改善沙地行走稳定性。

应用范围

沙漠科学考察、综合治理以及资源开采要求科研工作者和工程人员深入沙漠腹地，对工作人员的体力和安全带来了极大的挑战。普通旅游鞋或越野鞋在沙地中抗沉陷和抗滑移能力低，穿普通旅游鞋在沙地中行走会增加工作人员体力消耗，同时也会增加受伤风险。另外，通过研究发现，月球和火星表面覆盖的月壤及火星壤与沙漠中的松散沙土的物理力学特性极其相似，因此，宇航员在这类外星球表面活动时也面临着鞋底沉陷和滑移问题。因此，设计一种低沉陷、抗滑移的沙漠鞋对沙漠环境开发以及深空探测均具有重要价值和潜在应用前景。

鸵鸟是生活在沙漠地带的平胸类鸟，它不会飞翔，但在沙漠环境中具有超强的奔跑能力，每步跨越距离可达3.5～7米，持续奔跑速度约50～60km/h，可维持约30分钟而不感觉累，冲刺速度超过70km/h，是沙漠中跑得最快的双足动物。通过鸵鸟的力学和运动学研究发现，鸵鸟优越的越沙性能主要归因于其独特的足底形貌结构以及足底与沙土的作用方式。鸵鸟足仅两趾(第Ⅲ趾和第Ⅳ趾)，第Ⅲ趾发达，趾底具有典型曲面形貌，趾前端有尖锐趾甲；第Ⅳ趾较小，前端趾甲很小甚至退化消失。鸵鸟在沙漠环境运动时，尤其在奔跑过程中，鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面起到固沙及牵引的主要作用，并且第Ⅲ趾前端趾甲插入沙土中起到固定防滑作用，而第Ⅳ趾仅在行走时起到保持平衡作用。因此，本发明基于鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面形貌和足趾甲结构，并结合鸵鸟足底与沙土的作用方式，采用工程仿生学技术，设计出一种具有低沉陷和抗滑移性能，从而可在沙漠环境下具有高效和平稳行走的仿生沙漠鞋底结构。

前景分析

本发明的工作原理和有益效果：

本发明基于鸵鸟足第Ⅲ趾底中间凹槽面，设计的鞋底中间仿生凹面结构改善了固沙限流作用，增强了前行沙面摩擦及推力。当该仿生凹面结构受到垂直载荷时，仿生凹面的承压面积较大，沙土受力后沿曲面向内部流动，从而减少沉陷，提高承载能力；该仿生凹面结构在蹬沙过程中，仿生曲面与沙地呈θ1＝34°倾角，在相同载荷条件下，沉陷量明显减少；当该仿生凹面结构出沙时，多余沙土顺着曲面下滑且不会残留在鞋底表面，也不会产生“挑沙”现象。

鞋底两侧固沙限流结构的梯形刺通过压实和剪切沙土增强前行沙面摩擦，从而减少鞋底向后滑移，挡板部分可阻止沙土沿前行的垂直方向运动。仿生凹面结构和固沙限流结构共同构成一个空腔结构。当鞋底触沙时，空腔结构与沙面的接触面积较小，对沙土扰动弱；当鞋底蹬沙时，空腔结构与沙土接触面积增大并发挥固沙限流作用，从而改善了鞋底抗沉陷和前行推力作用。

基于鸵鸟趾甲防滑固着作用，通过提取鸵鸟趾甲中截面轮廓经过优化设计的仿生防滑结构具有抗沙滑移能力。当鞋底向下入沙运动时，沙土沿矩形通槽运动，可减缓鞋尖部位对沙土的压实作用，有利于仿生防滑结构插入沙土中，并使沙土填充仿足趾甲凹槽的部分空间；当鞋底后蹬时，仿生防滑结构的仿足趾甲凹槽和矩形通槽共同与沙土产生剪切作用，减少鞋底与沙土之间的前进滑移。

仿鸵鸟足第Ⅲ趾底足跟凸冠面的仿生冠状鞋跟可增大与沙面的接触面积，限制沙土沿前进方向移动，降低鞋底前行滑移，减少沉陷并提高前行推力。当鞋底水平入沙时，冠状单体的弧线与沙面的最大夹角为θ5＝36°，有效提高了承载能力，从而减少沉陷；当鞋底蹬沙时，鞋跟限制沙土沿前进方向流动，从而减少降低了鞋底前进滑移，增强了前进推力。

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