旋转诱导的砂土渗透阻力降低实验研究

土壤栖息生物演化出多样化的高效地下运动策略。例如，Erodium cicutarium 和 Pelargonium 种子采用连续旋转运动实现自埋，而 angled worm lizard（倾斜蠕虫蜥）通过围绕脊椎轴振荡头部来隧穿。这些旋转运动显著降低渗透阻力。本研究进行了全面实验，探讨了各种因素对旋转渗透力和能源消耗的影响。结果表明，力的减小大约遵循双曲式衰减规律，具体为切向速度与轴向速度比（$u$）。渗透体几何形状，特别是圆滑度和锥形尖端形状，在低速度比下对减小影响显著，而相对密度和材料类型则产生适中的影响。减小现象随着界面摩擦角的增加而增大，但随着压力和深度的增加而减小。能源消耗分析显示，尽管与 $u$ 相关的渗透力能源消耗随 $u$ 而减小，但总能源消耗由于旋转扭矩而增加。对于自埋机器人设计，建议采用较低的速度比，以有效平衡渗透力减小和能源效率。