火星着陆探测是世界各国深空探测的重点，也是我国探测的主要目标之一，而表取采样则是火星着陆探测最有效且易实现的方式。表取采样是通过挖、铲和夹持，获取火星表面火星壤和岩石样品的采集方式。采样机构末端执行器的设计与优化对于提高探测器工作效率及工作稳定性具有重要意义。研究通过工程仿生学原理进行表取采样铲的仿生设计、性能分析，以期为表取采样器的设计提供新的设计方法和思路。自然界中的穴居动物具有优异的挖掘和翻土功能，其爪趾在结构和功能上与采样铲具有相似之处。通过分析，研究选取喜马拉雅旱獭前爪趾作为表取采样器仿生设计的生物原型。采用体视显微镜、扫描电子显微镜对爪趾表面进行观察，获得爪趾表面的细观结构；采用三维激光扫描仪获取前爪第二趾的特征点云数据，获取爪趾的特征点云及爪趾三维模型。对获得的特征点云利用数学处理软件Matlab进行数值拟合，获得仿生设计的曲线控制方程。结构仿生是将生物体结构研究与工程力学等基本方法相结合，对机械装置等进行改造，以达到对原有结构的优化，使之具备更优的性能。基于结构仿生学的基本原理，以及目前在火星表取采样过程中成功应用的采样铲，设计不同结构形式的仿生采样铲。利用表取采样实验台及模拟火星壤进行仿真有效性的验证试验，考察仿生采样铲与原型采样铲在采样铲受力、采样铲扭矩变化的规律。试验中发现，对于铲取采样，仿生采样铲在采样入土角为45°，采样速度分别为200mm/min、400mm/min、600mm/min、800mm/min、1000mm/min时，仿生采样铲在轴线方向上受到最大采样阻力比原型铲分别降低36.5%、34.9%、28.1%、44.8%、38.9%。对于挖取采样，仿生设计的挖取采样铲WⅠ-2相比于原型采样铲在采样入土角度相同、采样速度0.11r/min、0.33r/min、0.56r/min情况下采样扭矩消耗值降低了55.6%、49.6%、57.6%。采用离散元软件模拟采样过程中仿生采样铲、原型采样铲与模拟火壤的相互作用，并细观分析爪趾掘土过程，探究内外轮廓在掘土过程中的不同作用。通过离散元软件模拟低重力条件下的采样行为，分析重力环境及仿生因素在细观尺度上对采样行为的影响。本文研究内容可以为火星表取采样末端执行器设计提供参考。