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Bioengineering

Un système de test en flexion millimètre pour mesurer les propriétés mécaniques des Spicules d’éponges marines

Published: October 11, 2017 doi: 10.3791/56571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Engineering, Brown University

Summary

Nous présentons un protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur les fibres d’échelle submillimétrique en utilisant un dispositif mécanique sur mesure. L’appareil permet de mesurer des forces allant de 20 µN jusqu'à 10 N et peut donc accueillir une variété de tailles de fibres.

Abstract

Beaucoup de charge portant des structures biologiques (LBBSs) — comme le rachis des plumes et des spicules — sont de petite taille (< 1 mm) mais pas microscopiques. Mesurer le comportement en flexion de ces LBBSs est important pour comprendre les origines de leurs fonctions mécaniques remarquables.

Les auteurs décrivent un protocole pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les capacités de la force et le déplacement peuvent être facilement ajustées pour différentes LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’un microscope à force atomique. À savoir, la force est appliquée au LBBS par un point de charge qui est attaché à l’extrémité du bras de levier. Le déplacement de point de charge est mesuré par un capteur de déplacement optique de fibre et transformé en une force à l’aide de la rigidité mesurée en porte-à-faux. Gamme de force de l’appareil peut être réglé à l’aide de leviers de raideurs différentes.

Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum. Les éléments squelettiques — appelées spicules — sont des fibres de silice qui sont environ de 50 µm de diamètre. Nous décrivons les procédures pour l’étalonnage de l’appareil mécanique, les spicules de montage sur un appareil de flexion trois points avec une envergure de mm ≈1.3, et effectuer une flexion test. La force exercée sur le spicule et sa déformation à l’emplacement de la force appliquée sont mesurés.

Introduction

En étudiant les architectures des porteurs de structures biologiques (LBBSs), comme shell et osseuse, ingénieurs ont mis au point de nouveaux matériaux composites qui sont forts et durs 1. Il a été démontré que les propriétés mécaniques remarquables de LBBSs et de leurs homologues de bio-inspirés sont liées à leurs architectures internes complexes 2. Cependant, les relations entre les architectures LBBS et propriétés mécaniques ne sont pas totalement comprises. Mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est la première étape pour comprendre comment son architecture améliore ses propriétés mécaniques.

Cependant, il est important que le type de test utilisé pour mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est compatible avec sa fonction mécanique. Par exemple, étant donné que les plumes doivent supporter des charges aérodynamiques, la fonction principale d’un rachis de la plume doit fournir la rigidité en flexion 3. Par conséquent, un essai de flexion est préférable à un essai de tension uniaxiaux pour mesurer sa réponse mécanique. En fait, beaucoup de LBBSs — comme le rachis des plumes 3, herbe tiges 4et spicules 5,6,7,8— principalement déformer en pliant. C’est parce que ces LBBSs sont minces —c'est-à-dire, leur longueur est beaucoup plus grande que leur largeur ou profondeur. Toutefois, effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs est difficile car les forces et les déplacements qu’ils peuvent supporter avant d’échouer varient de 10-2 à 102 N et 10-4 à 10-3 m, respectivement 3 , 4 , 5 , 7 , 8. en conséquence, le dispositif utilisé pour effectuer ces essais mécaniques devrait avoir force et déplacement des résolutions de ≈10-5 N et ≈10-7 m (soit 0,1 % d’une force maximale mesurable et le déplacement de la sonde), respectivement.

Disponible dans le commerce à grande échelle, des systèmes de tests mécaniques généralement ne peuvent mesurer forces et déplacements avec cette résolution. Tandis que la force atomique axée sur le microscope 9,10 ou microélectromécaniques axée sur les systèmes 11 dispositifs d’essai ont une résolution suffisante, la force maximale (déplacement respectif), ils peuvent mesurer est inférieure à la force maximale (déplacement respectif) qui résiste à la LBBS. Par conséquent, pour effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs, les ingénieurs et les scientifiques doit compter sur mesure mécanique test périphériques 5,7,12,13. Le principal avantage de ces dispositifs sur mesure, c’est qu’elles peuvent accueillir de grandes plages de forces et de déplacements. Cependant, la construction et l’exploitation de ces appareils n'est pas bien documentée dans la littérature.

Un protocole est décrit pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Dessins techniques, y compris toutes les dimensions, les composants de l’appareil d’essai mécanique sont fournis dans les documents supplémentaires. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les plages de force et de déplacement peuvent être facilement ajustées pour convenir à différents LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’une microscopie de force atomique 9. Dans ce dispositif, un échantillon est placé dans une tranchée coupée dans une plaque d’acier inoxydable (voir Figure 1A-C). La durée de la tranchée est mesurée à partir de photographies au microscope optiques à 1278 ± 3 µm (moyenne ± écart-type ; n = 10). Les bords de la tranchée prend en charge l’échantillon au cours d’un essai de flexion (voir Figure 1et D). Cette étape de l’échantillon est attachée à un trois axes de positionnement et placée sous une cale en aluminium de sorte que le coin se situe à mi-chemin toutes les étapes de la tranchée (voir Figure 1C). En déplaçant la scène dans le Equation 1 direction (voir Figure 1 aet C), le spécimen est poussé dans la cale provoquant le spécimen à plier.

Nous nous référons à la cale sous la pointe de point de charge (LPT) et le composant de l’appareil qui contient la cale sous le point de charge (LP). Le LP est fixé à l’extrémité du bras de levier dont déplacement est mesurée par un capteur de déplacement optique de fibre (DOM). Le FODS émet des rayons infrarouges qui se reflète sur un miroir situé sur la surface supérieure de la LP (voir Figure 1B) et reçues par une fibre optique dans les DOM. Un morceau carré de ≈5 mm d’une plaquette de silicium poli est utilisé comme le miroir de LP et est apposé sur le LP avec de l’epoxy. Le FODS mesure déplacements en comparant l’intensité de la lumière émise et réfléchie. La rigidité en porte-à-faux et le déplacement sont utilisés pour calculer la force, Equation 2 , expérimentés par la cale due à son interaction avec l’échantillon. Le déplacement en porte-à-faux est également utilisé pour calculer le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la cale, Equation 3 . Capteurs de force basé sur cantilever ont été utilisés dans un certain nombre de micro - et macro-scale mécaniques essais études 10,11,12,13,14. La conception spécifique présentée ici est une adaptation d’un appareil mécanique pour effectuer des expériences de contact adhésif 14. Un design similaire a également été utilisé dans un micro-tribomètre commercialement disponible 15,16.

Figure 1
Figure 1 : vue d’ensemble de l’appareil de mesure mécanique. (A), A rendu de conception assistée par ordinateur de l’appareil. Les composantes de la scène sont surlignées en vert. La force de détection sous-assemblage (cantilever, point de charge (LP)) est surlignée en rouge. (B) A amplifié vue de (A). Le miroir LP est représentée en bleu sur le dessus de la LP sous le FODS et étiqueté l/min. (C) le système de coordonnées utilisé pour décrire le mouvement de l’étape de traduction. Par nivellement thétape e étape 1.9 du protocole, le Equation 1 direction faite pour coïncider avec le vecteur normal à la surface du miroir LP. (D), un schéma de la configuration de flexion trois points montrant la déformation du spicule et les déplacements mesurés Equation 49 , et Equation 50 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum6,7. Squelette de cette éponge est un assemblage de filaments, appelées spicules (voir la Figure 2A). Les spicules ≈50 µm d’épaisseur et sont composées principalement de silice 6. Axée sur les Biosilica spicules sont trouvent dans les éponges appartenant aux classes Demospongiae, Homoscleromorpha et Hexactinellida. Éponges, comme E. aspergillum, qui appartiennent à la classe Hexactinellida sont également connus comme « les éponges de verre ». Alors que les spicules d’éponges de verre sont composées essentiellement de silice, il a été démontré que la silice contienne souvent une matrice organique composée de soit collagène 17,18 ou chitine 19,20 , 21. cette matrice organique joue un rôle important dans la silice de 18,biomineralization20. En outre, dans certains spicules la matrice organique sert aussi comme un modèle pour la biominéralisation du calcium 22. En plus d’être distribué au sein de la silice, la matrice organique peut aussi former des couches distinctes qui partitionnent la silice de spicule en lamelles concentriques, cylindrique 6,23. Il a été démontré que cette architecture concentrique, lamellaire peut affecter déformation comportement 6,7,8,24,25,26 des spicules . Par conséquent, les propriétés mécaniques des spicules sont déterminées par une combinaison de leur composition chimique (i.e., la structure chimique du composite silice-protéine) et leur architecture 27. La structure chimique et l’architecture de verre les spicules des éponges sont toujours sous enquête 24,28,29.

La plupart des spicules dans E. aspergillum est cimentée pour former une cage squelette rigide. Toutefois, à la base du squelette il y a une touffe de très longtemps les spicules (≈10 cm) appelés les spicules d’ancrage (voir la Figure 2A). Les auteurs décrivent le protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur une petite section des spicules d’ancrage.

À l' étape 1 du protocole, la procédure d’assemblage et d’aligner les composants de l’appareil d’essai mécanique sur mesure est décrite. Étapes 2 et 4 du protocole fournissent des instructions pour générer données d’étalonnage utilisées pour calculer les forces et les déplacements dans l’essai de flexion. Les mesures prises pour préparer une section d’un spicule et monter sur le montage d’essai sont décrits à l’étape 3. La procédure des essais de flexion sur la section de spicule est décrite à l’étape 5. Enfin, dans la section Résultats représentant les données d’étalonnage obtenues aux étapes 2 et 4 sont utilisées ainsi que les données de test flexion obtenues à l’étape 5 pour calculer Equation 2 et Equation 3 .

Figure 2
Figure 2 : Procédure pour sectionnement et inspection des spicules aspergillum e. (A) le squelette d’e. aspergillum. La touffe de spicules d’ancrage autoportant est montrée à la base du squelette. La barre d’échelle est de ~ 25 mm. (B) un spicule seule ancre est maintenu en place sur une lame de microscope avec un pinceau de martre #00000 rouge et sectionnés à l’aide d’une lame de rasoir. La barre d’échelle est ~ 12 mm (C) une section d’un spicule aspergillum E. placée dans la tranchée sur la scène de l’échantillon. Les bords de la tranchée et la crête de la tranchée sont surlignées en bleu sarcelle et orange, respectivement. Le spicule est poussé contre la crête de tranchée à faire en sorte que son axe est perpendiculaire sur les bords de la tranchée. (D) une micrographie d’un spicule qui passe la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole, qui explique comment déterminer si une section de spicule est endommagée et doit être jetée. (E), une micrographie d’un spicule contenant plusieurs fissures et manque de larges pans des couches de silice qui ne permettrait pas la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole. Barreaux de l’échelle = 250 µm (C), 100 µm (D) et 100 µm (E). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Protocol

1. montage et alignement

  1. choisir un cantilever dont la raideur est appropriée pour l’expérience envisagée. Fixez le LP sur le levier à l’aide de #4-40 vis à tête (SHCSs) (voir la Figure 3 A). Prenez soin de pas plastiquement déformer les bras cantilever pendant la fixation de la LP.

Figure 3
figure 3 : procédure pour assembler le cantilever force sensor et mesure sa rigidité. (A) la charge point (LP) est attaché à la luge (C), avec la pointe de point de charge (LPT) pointée vers le haut. (B), le cantilever et sous-assemblage LP est fixé à la plaque en porte-à-faux, notée CP. La poche de retrait de la plaque en porte-à-faux est montrée sous les bras en porte-à-faux. (C), la plaque en porte-à-faux est attaché à la face inférieure du cadre afin que le côté de la plaque figure à (B) fait face à la Equation 6 direction. Le micromètre FODS est dénoté comme FM (D), le crochet de fil et poids d’étalonnage utilisées à l' étape 2 du protocole sont présentés suspendus à partir du trou dans la turbine BP. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. appliquer quelques gouttes du propanol-2 à un coton-tige gratuit de peluches et essuyer la surface du miroir LP. Inspecter le miroir des rayures et remplacer le miroir s’il est endommagé.
  2. Visser le levier sur la planchette de cantilever avec #6-32 SHCSs du côté de la plaque contenant la poche encastrée avec le LPT alors à l’opposé de la plaque (voir Figure 3 B). Insérer le 1/8 " tiges d’alignement dans le porte-à-faux et plaque, serrer les vis et retirez les tiges d’alignement.
  3. Se rétracter le FODS autant que possible en tournant le FODS micromètre dans le sens anti-horaire (voir Figure 3 C). Visser la plaque en porte-à-faux à l’armature à l’aide de #6-32 SHCSs avec le LPT pointant dans la Equation 4 direction (voir Figure 1 A). Insérer le 1/8 " tiges d’alignement à travers la plaque de cadre et en porte-à-faux, serrer les vis et retirez les tiges d’alignement (voir Figure 3 C).
  4. Allumez la puissance d’alimentation et régler la tension à 12,00 V en mode tension constante à l’aide de la molette de réglage. Puis allumez la tension de sortie et confirmer que le courant affiché sur l’alimentation ' s LCD écran est d’environ 60-70 mA. Attendez au moins une heure pour le tirage au sort actuel atteindre l’état d’équilibre afin de réduire l’incertitude de mesure de tension.
  5. Ouvrez et exécutez le programme Basic_Data (consultez fichiers de Code supplémentaires). Tourner le micromètre FODS (voir C de la Figure 3 et Figure 4 A) vers la droite pour déplacer les FODS vers le LP miroir jusqu'à ce que la tension de sortie affichée sur le graphique d’interface utilisateur atteint une valeur maximale.
    1. Ajuster le gain de la DOM en tournant l’ensemble vis sur le côté du boîtier FODS afin que la tension de sortie est 5.0 V. tour le micromètre FODS en sens anti-horaire pour rétracter le FODS.
  6. Allumer l’éclairage du microscope et ajustez la position de microscope et se concentrer à l’aide des deux étapes de traduction du manuel afin que le LPT est centré dans le champ de vision. Arrêter le programme de Basic_Data en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  7. Ouvrez le logiciel d’interface utilisateur contrôleur de moteur. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la Equation 5 -contrôleur de moteur axe de passer l’étape à la course maximum admissible dans le < img alt = « Équation 6 » src = « / files/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg » / > direction et ensemble la position de départ en cliquant sur le ' maison ' bouton dans l’interface utilisateur. Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la Equation 7-contrôleur de moteur axe de passer l’étape à la course maximum admissible dans la Equation 8 direction et l’ensemble du poste d’attache. Fermez le logiciel d’interface utilisateur.
  8. Siège le stade sur la platine de base (voir la Figure 4 A) ainsi que les conseils des chefs micromètre sur la mise à niveau sur plaque de repos dans les mottes de gazon plaque de base étape. Placez un niveau à bulle sur la table de l’isolement et de régler la pression dans chacun de la table ' jambes s en tournant la valve bras vis à oreilles, afin que la surface soit plane.
    1. Déplacer le niveau à bulle vers le haut de la scène plaque de nivellement et d’ajuster les micromètres afin qu’il soit aussi niveau. Notez la position du micromètre et supprimer l’étape de la plaque de fond de scène. Remarque : Le protocole peut être suspendu ici.

Figure 4
figure 4 : le dispositif d’essai mécanique comme assemblé en étapes 1,9 et 3.7 du protocole. (A), le stade de l’échantillon (SS), est attachée à l’étape de traduction (TS) et est mis à niveau en utilisant les micromètres sur la scène de nivellement plaque (SLP), qui sont assis sur la plaque de fond de scène (SBP). La platine de base est attachée à la maquette optique de la table de l’isolement. Le cantilever (C) ; plaque en porte-à-faux (CP) ; et capteur de déplacement optique de fibre (DOM) composent la force de système de détection. (B) la charge point (LP) est attaché à la luge et la pointe de point de charge (LPT) est positionnée sur le spicule sur la scène de l’échantillon. Au cours d’un essai de flexion, le déplacement de la LP est mesuré en utilisant le DOM. La distance initiale entre les DOM et le miroir LP est contrôlée par le micromètre FODS (FM), montré en (A). (C) une micrographie du spicule pose dans l’ensemble de la tranchée dans la scène de l’échantillon, placée sous la turbine BP. Echelle = 250 µm (C). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. mesure de rigidité cantilever

  1. exécuter le programme Basic_Data et le micromètre FODS dans le sens horaire jusqu'à ce que la tension de sortie est environ 4 V. arrêt le tour du programme en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  2. Mesurer la masse des poids crochet et étalonnage fil à l’aide d’une balance analytique.
  3. Ouvrir le programme Cantilever_Calibration (consultez fichiers de Code supplémentaires) et entrez le nom de fichier souhaité pour la force de calibration des fichier de sortie dans la zone de texte dans l’interface utilisateur.
  4. Exécuter le programme Cantilever_Calibration et cliquez sur ' OK ' lorsque vous êtes invité à entrer dans la masse de la première masse de calibrage. Attendez que la tension de sortie s’affichée dans le graphique d’interface utilisateur pour arrêter l’oscillation et cliquez sur le vert ' tension stabilisée ' bouton pour prendre une mesure de tension.
  5. Utilisation petites pinces pour accrocher le fil crochet du trou dans la turbine BP afin que le crochet est à l’opposé de l’objectif de microscope (voir Figure 3 D). Utilisez la pince à épiler pour amortir la vibration du levier causée par l’ajout de l’hameçon.
    1. Indiquer la masse du crochet en grammes dans la boîte de dialogue, puis cliquez sur ' OK '. Comme dans l’étape précédente, attendez que la tension de sortie arrêter l’oscillation avant de cliquer sur la ' tension stabilisée ' bouton.
  6. Utilisation petites pinces pour accrocher la première épaisseur du fil crochet et répéter le processus de prise de tension comme décrit à l’étape précédente. Répétez cette étape jusqu'à ce que tous les poids de calibrage ont été suspendus ou la tension de sortie est inférieure à 1,8 V. À ce stade, cliquez sur ' annuler ' dans la boîte de dialogue pour sortir du programme Cantilever_Calibration.
  7. Tourner le micromètre FODS en sens anti-horaire pour rétracter le FODS. Retirer soigneusement le crochet et le poids de la turbine BP.
    Remarque : Le fichier de sortie de calibrage de force est une liste de délimité par des tabulations de la force exercée par les poids de calibrage, la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est traité afin de mesurer la rigidité en porte-à-faux.

3. Préparation des échantillons

  1. usure nitrile gants lorsque vous manipulez aspergillum E. éponge squelettes et stocker les squelettes dans des récipients fermés lorsqu’ils ne sont pas manipulés.
    ATTENTION : Puisque les spicules sont composées essentiellement de silice, des fragments brisés spicule sont pointues et peuvent s’incruster dans la peau, conduisant à une irritation.
  2. Utiliser une paire de pinces pour saisir un spicule ancre par son extrémité distale et tirez dessus pour le retirer du squelette (voir la Figure 2 A). Déposer le spicule sur une lame de microscope propre.
  3. Tenir le spicule contre la diapositive près du point médian sur toute sa longueur à l’aide d’une brosse de sable #00000 rouge. Couper un ≈ section de 4 mm du spicule en enfonçant une lame de rasoir contre le spicule de chaque côté de la brosse perpendiculaire à la lame de surface (voir la Figure 2 B). Ignorer les sections grand spicule distale et proximale et garder la ≈ section de 4 mm.
  4. Inspecter la section de spicule de 4 mm à l’aide d’un microscope à lumière polarisé à un grossissement de 10 x (voir Figure 2 C-E). Jeter la section spicule et retournez à l’étape 3.2, s’il est absent des grandes régions de couches de silice (voir Figure 2 E). Gérer les sections de spicule inspecté exclusivement à l’aide de la brosse de sable #00000 rouge à éviter l’introduction de nouveaux dommages à leurs couches de silice.
  5. Nettoyer aucun fragment de spicules ou d’autres particules de la surface de la scène de l’échantillon avec une brosse ou l’air comprimé. Ensuite, appliquez quelques gouttes de propanol-2 à un coton-tige gratuit de peluches et essuyer la scène de l’échantillon. Éviter tout contact avec les zones de la scène, recouvert de peinture non réfléchissante. Remarque : La peinture est utilisée pour réduire le nombre de réflexions spéculaires dans les images prises pendant le test de flexion
  6. Transfert de la section de spicules à l’étape de l’échantillon. Placer la section de spicules dans l’ensemble de la tranchée avec la durée souhaitée pour l’essai de flexion et poussez-la doucement la Equation 10 direction contre la crête de la tranchée. S’assurer que le spicule est perpendiculaire sur les bords de la tranchée (voir Figure 2 C).
  7. De siège le stade sur la platine de base afin que les conseils des barreaux du micromètre reposent dans les mottes de gazon plaque de base étape. Si nécessaire, ajuster les micromètres sur la scène de nivellement plaque aux valeurs noté à l' étape 1.9 du protocole.

4. Tension-déplacement Interpolation fichier

  1. d’ouvrir le programme Bending_Test (consultez fichiers de Code supplémentaires). Définir la ' taille d’étape ' à 2 µm, ' déplacement maximal ' à 0,5 mm, ' butée basse tension ' à 1,5 V, et ' butée haute tension ' à 4.6 V en utilisant les zones de texte affichées dans l’interface utilisateur. Nom
    1. sélectionnez les répertoires d’images et de données désirés et le fichier de sortie en utilisant le texte des boîtes dans l’interface utilisateur. Définir le ' sauvegarder des images ' basculer dans l’interface utilisateur vers le bas et cliquez sur le bouton rectangulaire vert sous les mots ' différence de tension ' afin qu’il s’illumine.
  2. Exécuter le programme Bending_Test et attendre pour les interfaces de caméra et contrôleur de moteur initialiser.
  3. Allume l’illuminateur et régler la luminosité ainsi que la turbine BP est visible. Tourner le micromètre FODS vers la droite jusqu'à ce que la tension de sortie s’affichée dans le graphique d’interface utilisateur est ~1.7 V. Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la Equation 5-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène le Equation 1 sens jusqu'à ce que C’est ~ 1 cm au-dessous du LPT et le jeu de la Equation 5-position axe d’origine en cliquant sur le " maison " bouton.
  4. Utilisez les curseurs de potentiomètre sur le Equation 7- et Equation 11-contrôleurs de moteur axe sur la position de la turbine BP au centre de la bande en acier mince situé sur la scène de l’échantillon dans la Equation 12 direction de la tranchée. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la Equation 5-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène la Equation 1 direction jusqu’au stade se trouve à la loupe ' de champ de s.
  5. Utiliser le curseur du potentiomètre sur la Equation 5-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène la Equation 1 direction tout en Je regarde le graphique de tension de sortie à l’interface utilisateur. Déterminer la position approximative à laquelle le LPT entre en contact avec la scène ' surface de s par à la recherche d’un changement de tension avec plus de mouvement de la scène. Rétracter le stade environ 10 µm.
  6. Cliquez sur le bouton intitulé " Begin Test ". Lorsque vous êtes invité, entrez des valeurs de 0,003 V et 0,001 mm pour ' sensibilité au toucher ' et ' toucher au large de la taille de palier ', respectivement. Attendez que le critère à remplir.
    Remarque : Après ce point, ne retirez pas le stade de la platine de base jusqu'à la fin de l’essai de flexion afin d’assurer des mesures exactes de déplacement. Le fichier de sortie de tension-déplacement interpolation est une liste de délimité par des tabulations de la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures avec le Equation 5- position d’allure axe à chaque incrément de déplacement de phase. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est utilisé pour convertir des tensions de sortie mesurées FODS de déplacements de LP.

5. Essai de flexion

  1. ouvrir et exécuter le Basic_Data programme et tourner le micromètre FODS dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la tension de sortie affichée sur le graphique d’interface utilisateur est d’environ 3 c. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la < img Alt = « Équation 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg » / > -contrôleur de moteur axe sur la position de la turbine BP entre les bords de la tranchée ci-dessus le spicule (voir Figure 4 C). Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la Equation 5-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène le Equation 1 sens jusqu'à ce que la turbine BP est en dessous de la surface supérieure de la crête de la tranchée (voir Figure 5 A). Enfin, utiliser le curseur du potentiomètre sur la Equation 11-contrôleur de moteur axe de mettre la surface avant de la crête de la tranchée dans le foyer afin que toute la largeur de la LP est entre les bords de la crête de la tranchée. Arrêter le programme de Basic_Data en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  2. Ouvrir et exécuter le programme Center_LoadPoint (voir le fichier de Code supplémentaire). Utilisation du Equation 7-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que la turbine BP est presque en contact avec le bord de la tranchée droite. Cliquez sur le " bord de trouver " bouton.
  3. Lorsque vous êtes invité, utilisez le Equation 7-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que la turbine BP est presque en contact avec le bord gauche de tranchée. Cliquez sur le " bord de trouver " bouton. Attendez que le programme positionner la mi-chemin LPT tout au long de la tranchée (voir Figure 5 B).
    Remarque : Après ce point, il est important de ne pas ajuster la Equation 7-contrôleur de moteur axe comme cela se traduira par un mauvais alignement de la turbine BP.
  4. D’ouvrir le programme Bending_Test. Définissez la taille de l’étape à 2 µm, déplacement maximal de 0,5 mm, butée basse tension de 1,5 V et arrêter de haute tension de 4,5 V en utilisant les zones de texte dans l’interface utilisateur. Nom
    1. sélectionnez les répertoires d’images et de données désirés et le fichier de sortie en utilisant le texte des boîtes dans l’interface utilisateur. Définissez le ' sauvegarder des images ' basculer dans l’interface utilisateur vers le haut, puis cliquez sur le bouton rectangulaire vert dessous mots ' différence de tension ' afin qu’il ne s’allume pas.
  5. Exécuter le programme Bending_Test et attendre pour les interfaces de caméra et contrôleur de moteur initialiser.
  6. Déplacer la scène le Equation 1 direction en utilisant le curseur du potentiomètre sur le contrôleur de moteur jusqu'à ce que le spicule se trouve dans le microscope ' s champ de vision. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la Equation 11 -contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que le spicule relève de la turbine BP.
    1. Réglez les boutons de mise au point du microscope pour que le spicule est mise au point à l’utilisateur de l’interface (voir Figure 4 C). Tournez le micromètre FODS en sens antihoraire jusqu'à ce que la tension de sortie soit environ 1,8 V.
  7. Utiliser le curseur du potentiomètre sur le contrôleur de moteur axe z pour déplacer la scène la Equation 1 direction tout en regardant le graphique de tension de sortie à l’interface utilisateur. Déterminer la position approximative à laquelle le LPT contacte le spicule en recherchant un changement de tension par de nouveaux mouvements de la scène. Rétracter le stade environ 50 µm.
  8. Click " commencer tester " et attendre que l’essai de flexion est terminée et l’étape revient à la Equation 5-position d’origine axe.
    Remarque : La scène se déplacera incréments de 2 µm (comme il est prescrit à l' étape 5.4 du protocole) la Equation 1 direction, pliant le spicule (voir Figure 5 C) jusqu'à ce que parmi plusieurs conditions d’arrêt est rencontré. Les conditions d’arrêt sont : un) le déplacement de phase maximale de 0,5 mm est atteinte ; b) les sauts de spicules et le programme détecte une forte baisse dans la tension de sortie FODS ; ou c) la limite de la haute tension de 4,5 V est atteinte. Pour mettre fin à condition (a), l’utilisateur sera invité si ils souhaitent mettre fin à l’essai ou de substituer la valeur précédente. Lorsque ' substituer ' est sélectionné, l’utilisateur aura la possibilité d’augmenter la limite de déplacement de phase ou l’inversion de l’étape de déplacement stade afin de poursuivre la collecte de données comme le spicule est déchargé. La mise en scène déplacement incrément peut également être modifiée en cliquant sur le " inverse de chargement " bouton à tout moment pendant l’essai. Le fichier de sortie de test de flexion a la même structure que le fichier de sortie d’interpolation de tension-déplacement généré à l' étape 4.6 du protocole. Autrement dit, c’est une liste de délimité par des tabulations de la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures avec le Equation 5-position allure axe à chaque étape incrément de déplacement. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est utilisé avec le fichier d’interpolation de tension-déplacement pour calculer les déplacements en porte-à-faux et les déplacements de la scène au cours de l’essai de flexion. Par la suite, la rigidité en porte-à-faux est utilisée pour calculer la force exercée par le LPT sur le spicule.
  9. Après que le test est terminé, tournez le micromètre FODS en sens antihoraire jusqu'à ce que le DOM soit au moins 5 mm du miroir de LPT. Ensuite, retirer soigneusement l’étape de la plaque de fond de scène.

Figure 5
figure 5 : procédure d’alignement de la turbine BP avec la tranchée ' s mi travée et effectuer un test de flexion (A) The LPT est placé au-dessous de la surface supérieure de la crête de la tranchée à la fin de l' étape 5.1 du protocole, mais il n’est pas encore positionné au milieu span. (B), la position de la turbine BP après le centrage procédure décrite aux étapes 5.2 et 5.3 du protocole sont terminés. (C) une micrographie d’un spicule prise au cours de l’essai de flexion. Le déplacement de la section transversale de spicule sous la turbine BP, Equation 14, est marquée de façon schématique. Barreaux de l’échelle = 250 µm (A-C). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Representative Results

Les sorties plus fondamentales de tous les essais mécaniques sont l’ampleur de la force exercée sur l’échantillon et le déplacement à l’endroit où la force est appliquée. Dans le cas d’un essai de flexion trois points, l’objectif est d’obtenir la magnitude de la force appliquée par la turbine BP, Equation 13 et le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la turbine BP dans le Equation 4 direction, Equation 14 . Toutefois, pour l’appareil mécanique décrite ici, plusieurs étapes de post-traitement doivent être effectuées afin de transformer les données de sortie obtenues à partir des étapes 2, 4 et 5 du protocole dans ce désiré Equation 13 - Equation 14 données. Les fichiers de données tirées de l’essai de flexion trois points sont : 1) le fichier d’interpolation de tension-déplacement ; 2) le fichier de calibration de force ; et 3) le fichier de test de flexion. Un résumé des quantités mesurés et dérivés est illustré dans le tableau 1.

Symbole Définition
Nh Nombre de valeurs de tensions dans le fichier de sortie de tension-déplacement interpolation
Vh Valeurs de la tension mesurée à l’étape 4 du protocole
ΣVh Écart-type de Vh
zsh Mesuré la position de l’allure à l’étape 4 du protocole
Nc Nombre de mesure de la force dans le fichier de sortie de calibrage de force
Fc Force exercée par le poids de calibrage à l’étape 2 du protocole
Vc Valeurs de la tension mesurée à l’étape 2 du protocole
ΣVc Écart-type de Vc
zlc Position de la LP à l’étape 2 du protocole calculée à l’aide de Vh et Vc
wlc Déplacement de la LP à l’étape 2 du protocole, calculé à partir de zlc
Nt Nombre de mesures de force et de déplacement dans le fichier de sortie de test de flexion
zst Position de l’étape à l’étape 5 du protocole
wst Déplacement de l’étape à l’étape 5 du protocole
Vt Valeurs de la tension mesurée à l’étape 5 du protocole
ΣVt Écart-type de Vt
zlt Position de la LP à l’étape 5 du protocole calculée à l’aide de Vh et Vt
wlt Déplacement de la LP à l’étape 5 du protocole, calculé à partir de zlt
F La force exercée par le LP à l’étape 5 du protocole calculé à partir de zlt
w0 Déplacement de la section transversale de spicule sous le LP à l’étape 5 du protocole

Tableau 1 : Sommaire des symboles utilisés pour des quantités mesurées dans les étapes 2, 4 et 5 du protocole et calculée dans la section résultats de représentant.

L’objectif du fichier interpolation tension-déplacement est de relier les tensions de sortie mesurées FODS de déplacements de LPT. Cela se fait par couplage rigide la turbine BP à l’étape de traduction ainsi que, comme le stade est déplacé la Equation 1 direction, le changement de la Equation 5 -position allure axe est égal au déplacement LPT (étape 4 du protocole). L’interpolation déplacement tension contient un ensemble de points Equation 15 , où Equation 16 est la moyenne FODS sortie tension reprise 100 mesures à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz, Equation 17 est l’écart type associé à de la tension de 100 mesures, Equation 18 est le Equation 5 -position allure axe et Equation 19 est le nombre d’étape des mesures de déplacement (voir la Figure 6 B).

Le fichier de calibration force permet la rigidité en porte-à-faux à mesurer afin que les déplacements de LP peuvent être utilisés pour calculer la magnitude de la force exercée par le LP. Le fichier de calibration force contient un ensemble de points Equation 20 , où Equation 21 est la moyenne FODS sortie tension reprise 100 mesures à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz, Equation 22 est l’écart type associé des 100 mesures de tension, Equation 23 est la force exercée par les poids sur la turbine BP, et Equation 24 est le nombre de poids d’étalonnage utilisée. Notez qu’il y a deux points de plus qu’il ne sont a poids de calibrage parce que le premier point est mesuré pour zéro appliqué force et le deuxième point de la force exercée par le crochet de fil seul.

Enfin, le fichier de test de flexion est utilisé pour calculer Equation 14 et Equation 13 . Il contient un ensemble de points Equation 25 , où Equation 26 est la moyenne FODS sortie tension reprise 100 mesures à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz, Equation 27 est l’écart type associé à des mesures 100 tension, Equation 28 est le Equation 5 -position allure axe et Equation 29 est le nombrer des étapes de déplacement stade au cours de l’essai de flexion.

Tout d’abord, la Equation 5 composants du poste de la turbine BP lors de l’étalonnage de la force, Equation 30 , se trouve à l’aide de l’ensemble Equation 31 à la carte Equation 21 valeurs à Equation 32 valeurs par interpolation linéaire. Le Equation 5 est donnée par la composante du déplacement LPT Equation 33 , Equation 34 . Étant donné que les déplacements de LPT sont petites par rapport à la longueur du levier, la relation entre Equation 23 et Equation 35 semble être linéaire. Par conséquent, la rigidité en porte-à-faux peut être calculée en installant une ligne à la Equation 36 données et le calcul de la pente, Equation 37 . Un ensemble représentatif de points Equation 36 et sa ligne équipée correspondante figurent dans Figure 6A. La rigidité du levier utilisé dans les expériences de flexion était 90,6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figure 6 : résultats représentatifs de la test de flexion trois points (A) Force et le déplacement des données (gris) obtenues à l' étape 2 du protocole ainsi que l’ajustement linéaire (en bleu) utilisé pour l’estimation de la rigidité du levier. (B) exemple représentatif des données contenues dans le fichier de sortie de tension-déplacement interpolation. Pour un FODS mesurée tension de sortie, Equation 51 , la position de la scène, Equation 52 , peut être obtenue par interpolation linéaire. Il sert à mesurer le déplacement en porte-à-faux, Equation 50 , lors de la flexion de l’essai. (C) les réponses représentant force-déplacement de 3 différentes E. aspergillum spicules d’essais réussis de flexion trois points d’ancrage. (D), une réponse de force-déplacement provenant d’un essai infructueux de flexion trois points. La non linéarité de la courbe suggère que le spicule n’était pas correctement assis sur la scène de l’échantillon et a glissé ou réorienté après que le premier contact a été faite avec la turbine BP. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Ensuite, le Equation 5 composants du poste de la turbine BP au cours de l’essai de flexion, Equation 38 , se trouve à l’aide de l’ensemble Equation 31 pour mapper Equation 26 valeurs à Equation 39 valeurs par interpolation linéaire. Le Equation 5 est donnée par la composante du déplacement LPT au cours de l’essai de flexion Equation 40 , Equation 41 . Le Equation 5 est donnée par la composante du déplacement de la scène au cours de l’essai de flexion Equation 42 .

Puisque le LPT et les spicules sont en contact pendant la totalité de l’essai de flexion, le déplacement de spicule, Equation 43 est donnée par

Equation 44(1)

et la force exercée par la turbine BP, Equation 45 , est

Equation 46(2)

Il est important de noter que depuis le jeu de Equation 31 est utilisée pour obtenir les deux Equation 32 et Equation 39 par interpolation, les valeurs, les valeurs de la Equation 47 et Equation 26 doivent se situer dans la plage de Equation 16 . Ceci est assuré en définissant les valeurs appropriées pour la tension d’amorçage et les valeurs de butée haute tension dans les étapes 2, 4 et 5 du protocole.

Figure 6 C montre des courbes de force-déplacement de spicules représentant trois. Pour les structures élastiques minces et linéaires chargées en flexion trois points, Equation 13 devrait augmenter linéairement avec Equation 14 pour de petites valeurs de Equation 14 30. Non-linéarité de la Equation 13 - Equation 14 courbe pour les petites Equation 14 (p. ex., voir Figure 6D) indique généralement que le spicule ne peut-être pas être assis correctement sur la scène de l’échantillon. Dans ce cas, le test doit être arrêté et le spicule repositionné sur la scène de l’échantillon (étape 3.6 du protocole).

Afin de garantir une précision suffisante de la Equation 13 et Equation 14 des mesures, le changement de tension totale au cours de l’essai de flexion, Equation 48 , doit être d’au moins 1 V. Si le changement de la tension totale est inférieure à 1 V, un cantilever plus dociles devrait être soisélectionné.

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Discussion

Plusieurs étapes du protocole sont particulièrement importants de veiller à ce que les forces et les déplacements sont mesurés avec précision. Alors que certaines de ces étapes critiques sont universels à tous les essais de flexion trois points, d’autres sont propres à ce dispositif d’essai mécanique.

À l' étape 1.2 du protocole le miroir LP est nettoyé et inspecté à rayures et à l' étape 1.6 du protocole, le gain de Dom est réglé. Il est important pour le gain et la réflectance de miroir LP constant pour les étapes 2, 4et 5 du protocole. Pour cette raison, les étapes de deux étalonnage (étapes 2 et 4 du protocole) doivent être effectuées immédiatement avant l’essai de flexion (étape 5 du protocole).

En étapes 1,9 et 3.7 du protocole de la scène est nivelée en ce qui concerne la surface de la table de l’isolement. Ces étapes s’assurer que Equation 2 est la composante de force perpendiculaire à l’axe longitudinal du spicule. Le châssis de l’appareil d’essai mécanique est fabriqué pour que le porte-à-faux, LP miroir et surface de la DOM sont tous parallèles à la surface de la table de l’isolement. Cela signifie que le capteur de force permettra de mesurer la composante de force et de déplacement perpendiculaire à la surface de table d’isolement. Si le dessus de la scène est mal aligné selon un angle Equation 53 à l’égard de la surface de la table d’isolement, puis le déplacement mesuré de la turbine BP sera Equation 55 , où Equation 54 est le déplacement réel dans la direction perpendiculaire à la axe longitudinal du spicule (voir Figure 7). Étant donné que Equation 56 , cela se traduit par une prédiction des forces appliquées et la sous la prédiction des déplacements de spicules par les équations (1) et (2).

Figure 7
Figure 7 : effet de scène mise à niveau sur des mesures de déplacement. (A), la scène est inclinée à un angle, Equation 53 , en ce qui concerne la surface de la table de l’isolement et la surface inférieure du levier. (B) le déplacement de la pl dans le sens vertical, Equation 50 (voir la Figure 1 (D)), est mesuré par le DOM. La composante du déplacement dans la direction perpendiculaire à l’axe du spicule LP est Equation 54 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Aux étapes 5.1-5.3 du protocole que le LPT est situé mi-chemin toutes les étapes de la tranchée. Désalignement de la turbine BP en ce qui concerne la durée moyenne se traduira dans l’échantillon, apparaissant plus rigide qu’elle est réellement 31,32. C’est, déplacement de spicule sera inférieure à celle qui serait être mesuré si la même force ont été appliquée à la travée du milieu. Ce type d’alignement peut être évité en ne supprimant l’étape de la platine de base ou en ajustant le x-position d’allure axe une fois la procédure de centrage complet (étapes 5.1-5.3 du protocole).

Une des limites de cette méthode est que la rigidité en porte-à-faux doit être sélectionnée afin de réduire l’incertitude de mesure relative des force et le déplacement des mesures, alors que les tensions de sortie FODS couvrent la gamme complète de 1,8 à 4,5 V au cours de la flexion test. Toutefois, cette plage de tension correspond à un déplacement en porte-à-faux d’environ ≈250 µm, qui est à peu près le même que le déplacement de spicule juste avant il échoue (voir la Figure 6 (C)). Cela signifie que le levier et le spicule rigidités similaires. Alors que ce n’est pas problématique pour mesurer la réponse élastique et les propriétés de résistance des spicules, il ne s’oppose à la mesure précise des propriétés de dureté des spicules. C’est parce qu’afin d’assurer une mesure précise des propriétés de dureté, une fissure dans le spicule doit se propager dans une manière contrôlée 33. En général, cela n’est possible si l’appareil est beaucoup plus rigide que le spécimen 33. Afin d’augmenter la rigidité de l’appareil, un capteur de déplacement plus sensible pourrait être utilisé à la place du DOM.

Bien que le protocole de test de flexion est démontré sur les spicules aspergillum E. , le dispositif d’essai mécanique peut être utilisé pour effectuer des essais de flexion trois points sur d’autres LBBSs et les matériaux synthétiques ainsi. Ce dispositif d’essai mécanique est plus approprié pour les spécimens dont diamètre transversal de 0,01 à 1 mm et de tranchées s’étend sur allant de 1 à 10 mm. Pour les grands diamètres, la scène de l’échantillon doit être repensée afin que l’échantillon ne roule pas sur la scène. Ce n’est pas un problème pour les fibres plus petites, comme les spicules, parce que la rugosité de surface de la scène est suffisante pour empêcher le spécimen de rouler. Les rayons des bords de la tranchée et LPT devraient également faire plus pour éviter d’introduire des dommages locaux aux endroits où le spécimen est pris en charge 31,32. En outre, la scène nivellement plaque doit être fixée à la plaque de fond de scène (voir la Figure 4A) à l’aide de ¼"-20 vis à tête après l' étape 3.7 du protocole pour empêcher le stade inclinaison si forces dépassent ≈1 N.

De force précis et de mesure de déplacement, rigidité du levier doit toujours être beaucoup plus petite que la rigidité du cadre (≈107 N/m). Cette exigence limite la force maximale qui peut être appliquée par cet appareil ≈25 n. Par conséquent, il est important d’estimer la force maximale, qu'un spécimen peut supporter avant d’effectuer un essai de flexion afin de déterminer si ce dispositif peut être utilisé pour effectuer le test.

Cet ouvrage fournit le protocole, les dessins techniques (voir supplémentaire 1 fichier) et le logiciel (voir les fichiers de Code supplémentaire) pour la reproduction et l’utilisation de notre appareil de test mécanique. Cela fournira si tout va bien une plateforme pour mesurer avec précision le comportement en flexion de nombreux différents LBBSs. Ces mesures sont une condition sine qua non pour développer une compréhension plus profonde de la relation entre l’architecture d’un LBBS et ses propriétés mécaniques.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation [mécanique des matériaux et Structures de programme, octroyer le numéro 1562656] ; et l’American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard TMC 63-563 Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster Thorlabs DAS110 For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations Thorlabs 150-801ME For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes Thorlabs PT102 For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps Thorlabs DT25 For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps Thorlabs PT1B For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail Edmund Optics 54-401 For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-404 For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-403 For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 Edmund Optics 57-788 Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube Edmund Optics 56-125 Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube Edmund Optics 56-126 Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) Edmund Optics 53-787 Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective Edmund Optics 55-790 Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 Edmund Optics 38-944 Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide Edmund Optics 42-347 Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder Edmund Optics 55-718 Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera Edmund Optics 88-452 Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike Edmund Optics 68-586 Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage Thorlabs MS1S FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor Philtec D20 FODS
30V, 3A DC Power Supply Agilent U8001A Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ National Instruments USB-6009 DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage Thorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/M Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller Thorlabs TDC001 Motor controller for stage
T-Cube Power Supply Thorlabs TPS001 Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1) National Instruments Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) National Instruments Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body MVI MDA96000 Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider MVI MDB45305 Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer MVI MDN11920 Polarized light microscope
Power Cord - 7'6" MVI 79035 Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage MVI MDC45000 Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser MVI MBL16100 Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD MVI MBP60125 Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F MVI MBB93100 Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC MVI MAK10110 Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective MVI MUE42100 Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge Denis Brand N/A Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier McMaster Carr 1490T5 Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> Ted Pella 16011 Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab McMaster Carr 71035T31 Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife McMaster Carr 35575A68 Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm Ted Pella 260409 Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L Ted Pella 11806 Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish Ted Pella 5367-5NM Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer Edmund Optics 58-608 Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS ESD Plastic Containers FT-38-CAS Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level McMaster Carr 2147A11 Used for leveling the stage
Analytical Balance Mettler Toledo MS105DU Used to mass calibration weights

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References

  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , In Press (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , Doctoral dissertation, Brown University (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , Springer Verlag. 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. Errors associated with flexure testing of brittle materials. , Army Lab Command Watertown MA Material Technology Lab. No. MTL-TR-87-35 (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

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Un système de test en flexion millimètre pour mesurer les propriétés mécaniques des Spicules d’éponges marines
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Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

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