CN108108537A - 神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法 - Google Patents

神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，包括神农洁蜣螂表皮取样及预处理、神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构提取、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线提取、神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学建模等五个步骤。与现有技术相比，采用本发明所建立的凸包截面轮廓曲线数学模型与生物原型的拟合程度较高，所建立的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学模型可作为利用数控加工设备制造高逼真仿生脱附减阻表面的数据来源。

Description

神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法
技术领域
本发明提供一种神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，属于仿生脱附减阻技术领域。
背景技术
生物经过近40亿年的进化，其结构和功能为了适应环境而在不断地进行优化，许多生物体表已逐渐发展成各种非光滑功能表面。“生物非光滑”是自然界普遍存在的典型现象，昆虫、植物、鱼类、鸟类、贝类等表现出各种类型的非光滑表面，已知的生物非光滑表面具有脱附、减阻、自洁、降噪、伪装、耐磨、抗氧化等多种功能。生物体表的这种表面形态是生物自身的机体结构与生存环境长期作用的最优结果，其优越性是人为设计的机器所无法比拟的。
在生物非光滑表面众多已知的独特机能中，当属脱附、自洁最吸引人类关注和学习。例如，具有微纳乳凸的荷叶能够“出淤泥而不染”，表皮凸凹不平的蜣螂能够在黏湿的粪堆或土壤中行动自如而保持身体清洁。生物非光滑脱附、自洁现象足以引发人类研究和学习，而对生物表皮典型微观结构进行数学建模，以便进行后续应用无疑是一种重要的研究方式。例如专利号为ZL201210025713.4的发明专利介绍了一种软骨鱼盾鳞沟槽截面轮廓曲线的建模方法。
神农洁蜣螂是节肢动物门、鞘翅目、金龟子科、洁蜣螂属、常见粪食性甲虫，其体表迎土面上的微观凸包结构是一种典型的具有土壤脱附、自洁功能的生物非光滑结构。对神农洁蜣螂表皮迎土面上的凸包微结构截面轮廓曲线尤其是横轴截面轮廓曲线进行数学建模，对于利用其独特结构特性开展结构仿生研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，包括有下列步骤。
第一步：神农洁蜣螂表皮取样及预处理
（A）从购置的神农洁蜣螂成虫干制标本上裁取处于迎土面上的表皮样本，首先对其标记虫体中轴线，再用去离子水冲洗3～5次，然后将洗净的神农洁蜣螂干制表皮样本在2.5%戊二醛溶液中化学固定3～5h，化学固定温度0～4℃，制得神农洁蜣螂固定表皮样本；
（B）将经（A）步骤制得的神农洁蜣螂固定表皮样本采用去离子水清洗6～8次，然后在50～70℃条件下烘干1～2h，制得含水率5%～10%的神农洁蜣螂干燥表皮样本。
第二步：神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量
（A）将第一步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本固定在光学式表面轮廓仪的工作台上，设置光学式表面轮廓仪的扫描参数对神农洁蜣螂干燥表皮样本重复扫描3～5次；
（B）从经（A）步骤扫描后由表面轮廓仪配套处理软件自动生成的测量样本三维表面轮廓图像中选取清晰、无噪点的图像，获得神农洁蜣螂干燥表皮样本的表面轮廓图像。
第三步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构提取
（A）在第二步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整凸包，从该凸包上获取过凸包最高点且垂直于虫体中轴线方向的凸包横向中轴线；
（B）利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包横向中轴线起，沿垂直于凸包横向中轴线方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域的凸包横向三维断面结构。
第四步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线提取
（A）借助表面轮廓仪配套处理软件，将第三步提取出的凸包横向三维断面结构进行二维化截面显示处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓原始曲线；
（B）借助表面轮廓仪配套处理软件，对经（A）步骤获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面原始轮廓曲线进行干扰点剔除、曲线平滑处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。
第五步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学建模
（A）将第四步制得的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线进行两段化处理，其中一段从矩形剖切区域起点到凸包横轴截面轮廓曲线最高点，另一段从凸包横轴截面轮廓曲线最高点到矩形剖切区域终点；
（B）在经（A）步骤划分的其中一段截面轮廓曲线上等间距选取一定数量的采样点，在同一坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行数据拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上该段截面轮廓曲线的数学模型；
（C）在经（A）步骤划分的另一段截面轮廓曲线上等间距选取一定数量的采样点，在同一坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行数据拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上另一段截面轮廓曲线的数学模型。
所述迎土面上的表皮是指神农洁蜣螂头部或肩部的表皮。
所述光学式表面轮廓仪的测量精度不低于微米级。
所述矩形剖切区域在凸包横向中轴线方向上的起点和终点均处于神农洁蜣螂表皮迎土面上相邻凸包间的无明显凸起位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：（1）借助高精度光学式表面轮廓仪对神农洁蜣螂表皮迎土面凸包进行非接触式表面轮廓扫描和成像，与传统接触式轮廓扫描相比，其测量过程不受样本平整度、柔软度限制，且不会伤及样本本身形貌；（2）采用本发明所建立的凸包截面轮廓曲线数学模型与生物原型的拟合程度较高，相关系数的平方值R2在0.95以上；（3）采用本发明方法建立的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学模型，可作为利用数控加工设备制造高逼真仿生脱附减阻表面的数据来源。
附图说明
图1是本发明神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法流程图。
图2是本发明实施例购置的神农洁蜣螂成虫干制标本照片。
图3是本发明实施例获取的神农洁蜣螂干制标本肩部迎土面表皮的扫描电镜照片。
图4是本发明实施例获取的神农洁蜣螂干制标本肩部迎土面表皮凸包的扫描电镜照片。
图5是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构。
图6是本发明实施例提取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。
图中：1、迎土面选取区域 2、虫体中轴线 3、凸包 4、凸包横向中轴线 5、矩形剖切区域 6、AB段凸包横轴截面轮廓曲线 7、AC段凸包横轴截面轮廓曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，包括有下列步骤。
第一步：神农洁蜣螂表皮取样及预处理
（A）参见图2、图3，沿迎土面选取区域1，从购置的神农洁蜣螂成虫干制标本上裁取处于迎土面上的肩部表皮样本，首先对其标记虫体中轴线2，虫体中轴线2指向虫体头部方向，再用去离子水冲洗5次，然后将洗净的神农洁蜣螂干制表皮样本在2.5%戊二醛溶液中化学固定4h，化学固定温度4℃，制得神农洁蜣螂固定表皮样本；
（B）将经（A）步骤制得的神农洁蜣螂固定表皮样本采用去离子水清洗8次，然后在60℃条件下烘干1.5h，制得含水率8%的神农洁蜣螂干燥表皮样本。
第二步：神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量
（A）将第一步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本固定在光学式表面轮廓仪的工作台上，所述光学式表面轮廓仪的测量精度为微米级，设置光学式表面轮廓仪的扫描参数对神农洁蜣螂干燥表皮样本重复扫描3次；
（B）从经（A）步骤扫描后由表面轮廓仪配套处理软件自动生成的测量样本三维表面轮廓图像中选取清晰、无噪点的图像，获得神农洁蜣螂干燥表皮样本的表面轮廓图像。
第三步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构提取
（A）参见图4，在第二步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整凸包3，从该凸包3上获取过凸包3最高点且平行于虫体中轴线2方向的凸包横向中轴线4；
（B）参见图4、图5，利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包横向中轴线4起，沿垂直于凸包横向中轴线4方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包3上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域5，所述矩形剖切区域5在凸包横向中轴线4方向上的起点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点B，其终点处于相邻凸包间无明显凸起的位置点C，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域5的凸包横向三维断面结构。
第四步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线提取
（A）参见图5、图6，借助表面轮廓仪配套处理软件，将第三步提取出的凸包横向三维断面结构进行二维化截面显示处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓原始曲线；
（B）参见图5、图6，借助表面轮廓仪配套处理软件，对经（A）步骤获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面原始轮廓曲线进行干扰点剔除、曲线平滑处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线。
第五步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学建模
（A）参见图6，将第四步制得的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线进行两段化处理，其中一段从矩形剖切区域5起点B到凸包横轴截面轮廓曲线最高点A，另一段从凸包横轴截面轮廓曲线最高点A到矩形剖切区域5终点C；
（B）参见图6，在经（A）步骤划分的AB段凸包横轴截面轮廓曲线6上等间距选取6个采样点，在以A点垂足D为坐标原点、以D 点到C点直线方向为X轴正向所建立的直角坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行2次多项式拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上AB段凸包横轴截面轮廓曲线6的数学模型，其表达式为f AB (x)=-0.535x 2 - 0.201x+5.937;
（C）参见图6，在经（A）步骤划分的AC段凸包横轴截面轮廓曲线7上等间距选取6个采样点，在以A点垂足D为坐标原点、以D 点到C点直线方向为X轴正向所建立的直角坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行2次多项式拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上AC段凸包横轴截面轮廓曲线7的数学模型，其表达式为f AC (x)=0.560x 2 - 0.213x+5.923。
经计算，所述两个模型f AB (x)和f AC (x)相关系数的平方值R2均为0.99，这表明所建立的数学模型均与生物原型保持较高的拟合程度，可以作为数控加工设备制造高逼真仿生脱附减阻表面的数据来源。

Claims (4)

1.神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，包括：
第一步：神农洁蜣螂表皮取样及预处理
（A）从购置的神农洁蜣螂成虫干制标本上裁取处于迎土面上的表皮样本，首先对其标记虫体中轴线，再用去离子水冲洗3～5次，然后将洗净的神农洁蜣螂干制表皮样本在2.5%戊二醛溶液中化学固定3～5h，化学固定温度0～4℃，制得神农洁蜣螂固定表皮样本；
（B）将经（A）步骤制得的神农洁蜣螂固定表皮样本采用去离子水清洗6～8次，然后在50～70℃条件下烘干1～2h，制得含水率5%～10%的神农洁蜣螂干燥表皮样本；
第二步：神农洁蜣螂表皮迎土面轮廓精密测量
（A）将第一步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本固定在光学式表面轮廓仪的工作台上，设置光学式表面轮廓仪的扫描参数对神农洁蜣螂干燥表皮样本重复扫描3～5次；
（B）从经（A）步骤扫描后由表面轮廓仪配套处理软件自动生成的测量样本三维表面轮廓图像中选取清晰、无噪点的图像，获得神农洁蜣螂干燥表皮样本的表面轮廓图像；
其特征在于，还包括如下步骤：
第三步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横向三维断面结构提取
（A）在第二步制得的神农洁蜣螂干燥表皮样本表面轮廓图像中选取出单个完整凸包，从该凸包上获取过凸包最高点且平行于虫体中轴线方向的凸包横向中轴线；
（B）利用表面轮廓仪配套处理软件从经（A）步骤获取的凸包横向中轴线起，沿垂直于凸包横向中轴线方向，在经（A）步骤选取的单个完整凸包上截取涵盖一定范围的矩形剖切区域，从而由软件自动提取出所选定矩形剖切区域的凸包横向三维断面结构；
第四步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线提取
（A）借助表面轮廓仪配套处理软件，将第三步提取出的凸包横向三维断面结构进行二维化截面显示处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓原始曲线；
（B）借助表面轮廓仪配套处理软件，对经（A）步骤获取的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面原始轮廓曲线进行干扰点剔除、曲线平滑处理，得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线；
第五步：神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线数学建模
（A）将第四步制得的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓修正曲线进行两段化处理，其中一段从矩形剖切区域起点到凸包横轴截面轮廓曲线最高点，另一段从凸包横轴截面轮廓曲线最高点到矩形剖切区域终点；
（B）在经（A）步骤划分的其中一段截面轮廓曲线上等间距选取一定数量的采样点，在同一坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行数据拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上该段截面轮廓曲线的数学模型；
（C）在经（A）步骤划分的另一段截面轮廓曲线上等间距选取一定数量的采样点，在同一坐标系下分别读取各采样点的坐标位置，并对所有采样点进行数据拟合，便得到神农洁蜣螂表皮迎土面凸包上另一段截面轮廓曲线的数学模型。
2.根据权利要求1所述的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：所述迎土面上的表皮是指神农洁蜣螂头部或肩部的表皮。
3.根据权利要求1所述的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：所述光学式表面轮廓仪的测量精度不低于微米级。
4.根据权利要求1所述的神农洁蜣螂表皮迎土面凸包横轴截面轮廓曲线的建模方法，其特征在于：所述矩形剖切区域在凸包横向中轴线方向上的起点和终点均处于神农洁蜣螂表皮迎土面上相邻凸包间的无明显凸起位置。
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