1. 引言 (Introduction)
- 背景：文章讨论了自掘探针在土壤监测中的应用，特别是在外太空和现有结构下的受限环境。介绍了自掘探针的设计灵感来源于自然界的生物，如双锚系统的灵感来自剃刀蛤的埋藏机制。
- 研究目的：研究不同重力条件下自掘探针的性能，包括低重力（1/6g、1/3g和1g）和高重力（5g、10g和15g）条件下的穿透距离和能量消耗。
2. 土壤模型和探针构建 (Construction of soil model and probe)
- 土壤模型：使用PFC3D软件设计了一个虚拟的土壤室模型，模拟了Fontainebleau沙的力学特性。
- 探针设计：介绍了一种受剃刀蛤启发的双锚探针，包括三个部分：轴、颈部和尖端，这些部分使用刚体墙单元建模。
3. 方法论和自掘循环的性能 (Methodology and performance of a stepwise self-burrowing cycle)
- 自掘方法：详细介绍了自埋循环的六个阶段：轴扩张、尖端穿透与振动、尖端锚定扩张、轴收缩、轴回缩和尖端锚定收缩。
- 性能评估：通过监测代表性力的变化来评估自掘循环的算法性能。
4. 重力对关键自掘步骤的影响 (Gravity effects on critical self-burrowing steps)
- 初始穿透：分析了不同重力条件下探针的初始穿透，包括抵抗力随深度的变化。
- 轴扩张：研究了重力对轴扩张阶段的影响，包括轴向力和扩张比。
- 尖端穿透与振动：评估了重力对探针尖端穿透和振动的影响，以及穿透深度。
- 尖端锚定扩张：分析了重力对尖端锚定扩张的影响，包括最终的锚定扩张比和相应的径向力。
5. 能量考虑和微观观察 (Energy considerations and micro-scale observations)
- 能量消耗：计算了自掘循环中每个步骤所做的总功，包括轴扩张、尖端穿透、振动、锚定扩张、轴收缩、轴回缩和锚定收缩。
- 微观观察：通过接触力网络和颗粒位移场的微观观察，进一步理解了宏观结果，特别是在不同重力条件下的土壤响应。
6. 结论 (Conclusion)
- 研究发现：自掘探针能够在不同重力条件下工作，且在高重力条件下能够达到更大的穿透深度。通过量纲分析，可以合理地预测力、速度、扩张比和能量等第一阶效应。
- 能量效率：在低重力条件下，探针的能量效率更高，而在高重力条件下，能量消耗更大。
- 应用前景：研究结果表明，自掘探针有潜力在类似火星和月球的天体环境中应用，以及在离心机测试等高重力场景中使用。
文章通过实验和数值模拟，详细研究了自掘探针在不同重力条件下的性能，为未来的太空探索和地质工程提供了有价值的见解。
参考文献
Wang B, Zhang N, Chen Y, Martinez A, Fuentes R. Gravity effects on a bio-inspired self-burrowing probe in granular soils. Computers and Geotechnics. 2024;176:106748.
