挖掘二维密集颗粒介质中的颗粒：一种临界现象

我们制造了一种机械挖掘器，能够以与现有仿生挖掘器根本不同的方式在二维密集颗粒介质中移动。该设计特征包括：平均颗粒大小约为挖掘器尺寸的十分之一，面积 Packing 密度 ${\phi}$ 约为 Jamming 密度 ${\phi}_c$ 的 90%。不同于传统自主式挖掘器通过流化围绕颗粒介质（使用更细小的颗粒）来实现移动的机制，本挖掘器能够迅速绕过这一运动机制，因为粗颗粒受颗粒间摩擦力限制，难以被流化。为应对较大的颗粒间摩擦力，挖掘器采用圆形形状，仅通过中心单元跨越自身身体形成的凹陷处捕获靠近前端入口的颗粒，然后将捕获的颗粒后 eject。我们通过使用手动挖掘器进行实验和相应的数值仿真来验证了这一移动策略，证明在人工操作员判断下可提升移动效率，但颗粒形状对效果影响不大。此外，还需要局部振动以降低被交叉的不规则形状颗粒间的摩擦力。我们的数值结果表明，移动距离以及相邻两次 eject 之间的时间间隔分布遵循幂律规律。我们通过表明自动化挖掘器定期随机化其挖掘方向时也观察到类似的幂律，从而实验验证了这一发现。发现这些时空幂律表明，在密集颗粒环境中进行挖掘可能是一种临界现象。