鸵鸟(Struthio camelus)原产于非洲沙漠和戈壁地区,具有高速且持久的运动能力。鸵鸟足永久提升的跖趾关节是鸵鸟高速运动过程中储能减振的重要因素。本文基于逆向工程、动物运动学分析以及足底压力测试等技术手段对鸵鸟足跖趾关节的三维结构和储能减振机理进行研究,并结合仿生学原理,运用工程仿生学和有限元方法设计一种减振自适应仿生步行足。为了研究鸵鸟足内部各组织间的相对位置以及跖趾关节永久提升的机理,运用MRI医学成像方法获取鸵鸟足组织结构的医学影像数据,使用Mimics和Geomagic studio逆向工程软件分别对鸵鸟足跖趾关节鸵鸟足跖趾关节处的骨骼、肌腱和腱鞘等组织进行三维重构,并再现各组织结构的空间相对位置。通过鸵鸟足解剖,得出肌腱和腱鞘以及不同位置肌腱的精确相互关系。最后,确定出鸵鸟足跖趾关节永久提升是依靠连接跗跖骨远端、腱鞘结蹄组织以及鸵鸟足屈肌腱的共同作用。为了研究鸵鸟足跖趾关节不同位置处肌腱对储能减振的作用,对鸵鸟足跖趾关节不同位置处肌腱的宏微观结构进行了测试。宏观上,在跖趾关节处肌腱的纤维束呈直线排列,而在跖趾关节两端的有孔屈肌腱和有孔穿屈肌腱的纤维束均呈现波浪状排列,趾长屈肌腱的纤维束排列方式无明显规律。微观上,跖趾关节中部肌腱的胶原纤维呈水平和垂直两种直线排列方式,而跖趾关节两端肌腱的胶原纤维均具有波浪形状。纤维束以及胶原纤维的形态与肌腱的作用有着密切关系。在鸵鸟足触地过程中,跖趾关节上端肌腱通过纤维束和胶原纤维的拉伸与收缩完成能量的储存与释放,而跖趾关节处肌腱主要用于传递作用力并需承受垂直肌腱方向压力,在跖趾关节下方肌腱起到连接趾骨和部分储能减振作用,因此硬度较小且波纹结构也较小。此外,大量胶原纤维丝分布于纤维束之间起到传递作用力、连接纤维束以及防止撕裂等作用。为了研究鸵鸟足运动对储能减振的作用,运用Simi Motion运动捕捉与分析系统测试了不同步态鸵鸟在两种介质上的运动,同时利用足底压力板和Footscan软件记录并分析了鸵鸟足底压力分布及变化。实验表明,在不同路面和步态情况下,鸵鸟足第Ⅲ趾前端或中部均最先触地,触地过程无冲击振动;随着跖趾关节不断下移,关节角度不断减小,足底压力增大;之后随着跖趾关节上移,关节角度增大,足底压力也不断减小。在整个触地过程中,第Ⅲ趾承担了70%以上的载荷并起到了最大的减振作用。通过跖趾关节的运动学数据和足底压力可得,触地前期跖趾关节势能不断增加,之后又不断减小。在相同路面环境下,奔跑步态的跖趾关节最大势能比走步态更大。当鸵鸟奔跑时,跖趾关节在硬路面积累的最大势能比在沙路面更多;当鸵鸟行走时,路面环境对势能积累影响较小。基于鸵鸟足跖趾关节储能减振的原理,运用工程仿生方法,设计出一种仿生自适应减振步行轮。通过软硬地面条件下有限元数值模拟和土槽试验,结果分析发现仿生步行轮比传统步行轮的轮心波动更小,振动明显降低。