一种仿生设计协议：基于海胆颚部的海底采样器

摘要

本文描述了一种受海胆颚部结构启发的采样装置的仿生设计协议。该仿生设计过程包括观察海胆、表征其口器结构、牙齿的3D打印及其组装，以及对牙齿结构的生物探索。

摘要

仿生设计是一个新兴领域，通过借鉴自然界来开发高性能材料和装置。海胆的口器，即亚里士多德提灯（Aristotle's lantern），是一种极具启发性的仿生来源，其具有复杂的肌肉网络和钙质牙齿结构，能够刮擦、切割食物、咀嚼并钻穿岩石基质。我们将仿生设计过程描述为包括动物观察、标本表征、装置制备和机制仿生探索四个步骤。最后一步的仿生探索有助于更深入地理解原始生物学结构。通过显微计算机断层扫描（micro-computed tomography）分析亚里士多德提灯的设计结构，并利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）观察单个牙齿，以识别其微观结构。采用3D打印技术制备仿生设计模型，组装后进行测试，以确定提灯开合效率最高的机械机制。通过有限元分析对仿生提灯的牙齿结构进行仿生探索，从力学角度解释为何在我们所观察的现代海胆中演化出了具脊状结构的牙齿。这种循环式的研究方法使得我们能够从生物学和自然界中得出新的结论。

引言

生物学、生物材料科学、生物材料、生物工程和生物化学领域运用顶尖的科学技术与智慧，致力于更深入地理解奇妙的自然界。这些研究已揭示了许多令人惊叹的生物结构和生物体，从人类骨骼的内在强韧性^1,2到巨嘴鸟的巨大喙部³。然而，这些知识中的大部分难以以造福社会的方式加以应用。因此，生物启发这一交叉领域应运而生，它将从自然界中获得的启示应用于现代材料，以解决普遍存在的问题。实例包括受荷叶启发的超疏水表面^4-6、受壁虎和昆虫足部启发的粘附表面^7,8、受鲍鱼珍珠层启发的高韧性陶瓷^9-11，以及受海胆口器（亦称亚里士多德提灯）启发的活检采样装置^12,13。

海胆是体表覆盖棘刺的无脊椎动物，通常栖息于海底的岩石基质上。在体型最大的海胆物种中，其壳体（称为“壳”）直径可超过18 cm；本研究中所观察的粉红海胆（Strongylocentrotus fragilis）壳体直径可达10 cm。亚里士多德提灯由五颗主要成分为碳酸钙的牙齿构成，这些牙齿由矿化组织构成的金字塔形结构支撑，并排列成穹顶状结构，仅露出牙齿远端的研磨尖端（图1A）。

下颌的肌肉结构能够高效地咀嚼和刮取，即使面对坚硬的海洋岩石和珊瑚也表现如此。当下颌张开时，牙齿向外突出；当下颌闭合时，牙齿则在一个平滑的连续动作中向内回缩。原始（上方）与现代（下方）海胆牙齿横截面的比较（图1B）表明，具有龙骨状结构的牙齿在研磨坚硬基底时具有增强牙齿强度的进化优势。每个单独的牙齿在横截面（垂直于生长方向的平面）上均呈现轻微凸起的曲率和T形形态，这是由于纵向附着的龙骨结构所致（图1C, D）。

仿生学始于对自然界有趣现象的观察，例如海胆的亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）所表现出的高效咀嚼运动。这种天然结构最初吸引了亚里士多德的注意，因为它使他联想到一种去除了角质窗格的角制灯笼。两千多年后，Scarpa 对亚里士多德提灯结构的复杂性深感着迷，他与后来的 Trogu 均仅使用纸张和橡皮筋便成功模仿了这种天然的咀嚼运动（图2A）^15,16。类似地，Jelinek 受亚里士多德提灯咀嚼运动的启发，开发出一种更优的活检取样器，能够安全地分离肿瘤组织，同时避免癌细胞扩散（图2B, C）^12,13。在此案例中，仿生设计被用于制造一种满足特定应用需求的生物医学装置。

本文所述的设计方案适用于一种受海胆启发的沉积物采样器。通过生物材料科学，对亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）的天然结构进行表征。仿生设计旨在识别那些可通过现代材料和制造技术增强自然机制的应用潜力。最终设计通过生物探索的视角重新审视，以理解天然牙齿结构的演化过程 （图3）。Porter^17,18提出的最后一步生物探索，采用工程分析方法来探究和解释生物学现象。生物启发过程的所有关键步骤均在此作为示例呈现，展示了如何利用经自然预先验证的技术来解决现代问题。本方案受到Arzt⁷_，此前针对特定应用所提出的仿生流程的启发，面向生物学家、工程师以及所有受自然启发的人士。

方案

1. 生物材料科学

1. 穿戴个人防护装备（i.e.，手套、护目镜和实验服），并遵守使用解剖工具的所有适用安全规程。
2. 用蒸馏水冲洗镊子和手术刀，以备解剖使用。
3. 在室温下解冻一只冷冻的粉红色海胆，持续1小时。将解冻后的标本置于一个空间充足的玻璃皿中，以便操作海胆及切割工具。将海胆倒置，使牙齿尖端朝上。
   1. 用手术刀切除亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）周围一圈的结缔组织，并小心取出提灯结构。用流动的蒸馏水冲洗提灯。将未使用的海胆部分丢弃至适当的废弃物容器中。
   2. 再次翻转亚里士多德提灯，使牙齿尖端朝下。找到每颗牙齿的羽枝端（与尖端相对的一端）并朝上，使用镊子小心地将单个牙齿从提灯中滑出。
4. 准备环氧树脂用于包埋牙齿。称取5 g树脂，加入1.15 g固化剂（e.g., 按重量计，100份树脂对应23份固化剂）至一个浅的一次性塑料托盘中。缓慢混合内容物，避免产生气泡。
   注意：切勿将剩余的已混合环氧树脂留在暴露于空气不足的容器中。固化过程为放热反应，可能引燃附近易燃物。任何剩余的混合环氧树脂应置于通风良好的通风橱内，并远离易燃物品。
   1. 用手指涂抹凡士林润滑一个2.5 dram的塑料管（内径22 mm，长度39 mm），并用纸巾擦去多余部分。将混合好的环氧树脂填充至塑料管一半高度。
   2. 用镊子夹取一颗牙齿，小心将其凹面弯曲侧朝上浸入环氧树脂中。在室温下固化24小时。
      注意：环氧树脂固化过程中应防止牙齿尖端漂移接触塑料管壁，否则会增加后续抛光难度。
5. 将含有已固化环氧树脂的塑料管放入台钳中。缓慢收紧台钳，直至塑料管出现裂纹。剥离环氧树脂表面残留的塑料。
   1. 使用切片锯将牙齿周围的环氧树脂切割成较小的块状（1 cm³）。
6. 准备一个洁净区域用于抛光，并设置一个带有硬质塑料板的平整工作台。用蒸馏水装满喷瓶。
   1. 从可获得的最低目数砂纸开始（e.g., 120目），从冲洗瓶中挤出少量水至砂纸上。施加轻压，沿单一往复方向（e.g., 左-右）摩擦样品5分钟。
   2. 在水槽上清洗样品表面，并用无颗粒纸巾擦干。用压缩空气吹除残留砂纸颗粒15秒。
   3. 依次使用更高目数的砂纸（e.g., 600目和2,400目）重复步骤1.6.1和1.6.2。施加轻压，沿与前一次抛光步骤垂直的方向进行往复摩擦（e.g., 上-下，左-右）。
      注意：使用20倍放大倍率的光学显微镜观察各目数砂纸产生的垂直划痕交叉情况（e.g., 120、600、2,400）。当前一目数砂纸留下的划痕消失后，再进入下一更高目数砂纸。
   4. 配制含有3-µm金刚石抛光悬浮液与蒸馏水1:1混合的喷瓶。使用适用于金刚石悬浮液的抛光布，重复步骤1.6.1和1.6.2。
   5. 配制含有0.5-µm氧化铝抛光悬浮液与蒸馏水1:1混合的喷瓶。使用微织物抛光表面，重复步骤1.6.1和1.6.2。
      注意：步骤1.6.4和1.6.5产生的细微划痕在20倍放大下不可见。对于这些步骤，应以往复运动方式抛光5分钟，以彻底去除所有先前划痕。
   6. 用蒸馏水清洗抛光表面，并用无颗粒纸巾配合压缩空气小心干燥。用无颗粒纸巾包裹，以保持镜面抛光效果。
      注意：所有抛光表面应朝下干燥在大面积无颗粒纸巾上。存放于塑料套中，避免在两次抛光之间灰尘颗粒沉降于表面。
7. 采用扫描电子显微镜（SEM）表征海胆牙齿的微观结构。使用溅射镀膜仪，在抛光后的牙齿表面溅射铱，沉积电流为85 mA，时间为10秒，获得约20 nm厚的镀层。
   1. 使用SEM在250倍至4,000倍放大倍率下获取显微图像。
      注意：在二次电子（SE）模式下使用5 kV，在背散射电子（BSE）模式下使用15 kV。使用BSE模式识别分散在富镁多晶基体中的方解石纤维。
8. 对整只粉红色海胆及新鲜解剖的亚里士多德提灯进行显微计算机断层扫描（µ-CT）。将每个解冻后的样品置于密闭腔室容器内，放置湿润纸巾以提供扫描期间的湿润环境。
   1. 对整只海胆和亚里士多德提灯分别进行µ-CT扫描，各向同性体素尺寸分别为36.00 µm和9.06 µm。对整只海胆施加100 kVp电压、100 mA电流，对亚里士多德提灯施加70 kVp电压、141 mA电流，两者均使用1.0 mm铝滤片。
   2. 在图像重建过程中应用束硬化校正算法，以消除因µ-CT X射线源发射多能量X射线而引起的束硬化伪影，具体参数遵循制造商协议。
9. 使用成像软件优化图像分割，并为亚里士多德提灯结构获取三角网格模型。
   1. 加载并预览来自µ-CT扫描的亚里士多德提灯图像数据。将体素尺寸（9.06 µm）与微CT扫描值匹配。
   2. 使用体渲染功能在三维空间中可视化亚里士多德提灯。通过“边界框”模块调整二维正交切片，并通过“体渲染”模块调节阈值/颜色。
   3. 使用分割编辑器对感兴趣区域（e.g., 海胆牙齿）创建掩膜片段。选择XY、YZ和XZ平面以及三维等轴测视图。使用魔棒工具（黑色箭头）区分亚里士多德提灯中的简单结构（如牙齿与金字塔结构）。
   4. 从提取的掩膜片段重建模型表面。选择“表面生成”模块并应用。取消选中“体渲染设置”，使可见的上表面消失。添加“表面视图”模块以显示表面结果。
   5. 通过减少面数将模型表面简化至< 18,000。
   6. 根据需要编辑模型表面上的单个三角网格。将模型保存为立体光刻（STL）文件，以便导出并用于计算机辅助设计（CAD）建模软件。

2. 仿生设计

1. 利用显微CT扫描得到的亚里士多德提灯结构作为参考，使用计算机辅助设计（CAD）软件构建仿生设计。
   注意：该仿生设计包含五个弯曲的齿状结构，闭合状态下高度为6 cm，直径为8 cm。其尺寸相比天然亚里士多德提灯放大了约5倍。
2. 将STL文件的各个部件保存至U盘，并上传至熔融沉积成型（FDM）3D打印机。
   1. 将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料和支撑材料塑料 cartridge 装入3D打印机对应的插槽中。
   2. 将建模基板安装到Z轴平台上，并将基板上的卡舌与金属托盘上的槽对齐。
   3. 打开各个STL文件部件，按照显示屏提示操作，同时打印提灯的所有部件。
      注意：提灯各部件必须适配于3D打印机的构建空间（25 × 25 × 30 cm³）。五个齿状部件均布置在建模基板上，齿尖朝上，同时进行打印。构建速率为每小时16 cm³，总构建时间约为8小时。
   4. 当所有文件部件打印完成后，将基板从卡舌处松开，并沿托盘导轨将基板滑出3D打印机。
   5. 使用金属刮刀将所有部件从基板上撬下，并用金属锉刀去除附着在部件上的多余塑料。
   6. 将打印好的部件放入加热的清洗槽中，直至支撑材料完全溶解。
3. 使用连杆和两侧的两个E型挡圈，将每个齿状部件固定到关节臂上。
   注意：提灯仿生结构的组装请参见图6。

3. 生物勘探

1. 使用仿生牙齿的 CAD 文件进行有限元建模（FEM）应力分析测试。
   1. 打开文件（xx.sldprt）以进行进一步的工程分析。在 "Office Products" 选项卡上方，选择 "SolidWorks Simulation" 按钮。
   2. 在 "Simulation" 选项卡上方，选择 "Study Advisor" 按钮，然后选择下拉选项 "New Study"。
   3. 通过选择 "Static" 来确定要运行的仿真测试类型。
   4. 在静态测试列表中，右键单击 "Fixtures"，然后选择 "Fixed Geometry"。
   5. 单击内侧表面，将固定装置添加到用于安装销钉的螺孔位置。
   6. 在静态测试列表中，右键单击 "External Loads"，然后选择 "Force"。
   7. 单击牙齿研磨尖端的表面，向边缘施加 45 N 的力。
   8. 在静态测试列表中，右键单击 "External Loads"，然后选择 "Gravity"。
   9. 指定 "Top Plane"，使重力方向垂直于该平面。
   10. 在静态测试列表中，右键单击 "Mesh"，然后选择 "Create Mesh"。
   11. 将 "Mesh Density" 的滑块完全移至最右侧，以获得 "Fine" 网格密度。
   12. 在静态测试列表中，右键单击 "Static"，然后选择 "Run" 以运行测试。
       注：最高应力区域的彩色标尺以及 "Yield Strength"。
2. 比较带龙骨与不带龙骨的仿生牙齿在应力分析测试中的结果。

结果

亚里士多德提灯采样装置的仿生设计在很大程度上依赖于所采用表征方法的质量。诸如显微计算机断层扫描（µ-CT）等非侵入性技术有助于分析完整的提灯结构及单个牙齿，从而为仿生设计应用特定的优化措施（图4）。同时，可通过单个牙齿抛光横截面的二次电子和背散射电子显微图像来研究牙齿的微观结构（图5）。较暗的灰色区域是牙齿研磨尖端较硬的石质部分，其中最多可达40 mol %的镁原子取代了钙原子。

通过背散射电子扫描电镜（BSE-SEM）对牙齿微结构的分析（图5）证实了牙齿研磨尖端富含镁的石质部分在结构上的重要性。板状和纤维状的初级结构单元（方解石单晶，在图5C中呈较亮的灰色）通过次级结构单元（方解石和碳酸镁多晶，在图5C中呈较暗的灰色）构成的基质相互连接，形成牙齿研磨尖端最坚硬的石质区域。

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讨论

海胆使用亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）图1A）以执行多种功能（摄食、钻孔、旋转） 等等。化石记录表明，海胆的咀嚼器从最原始的拟刺海胆型演化为现代球海胆型，在形态和功能上均发生了变化。¹⁴. 奇径海胆目的 lantern 具有纵向凹槽的齿（图1B，顶部）以及其金字塔结构上未分离的肌肉附着方式。这限制了它们的上下运动，并使其丧失了由侧向运动产生的更强刮削能力，而这种能力在更为进化的楯齿型 lanterns（ lanterns）中可以观察到。图1B，底部）。生物学家推测，具龙骨状的牙齿（图1C，D在球海胆亚目（camarodonts）中演化出，用于在刮取坚硬基质所产生的强拉伸力下加固牙齿^18,20,23.

本研究中的仿生设计流程结合了生物学、生物材料科学、仿生设计与生物探索（图3），以开发一种具有特定功能的仿生沉积物采样装置。亚里士多...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200	Buehler	305308600102	抛光用砂纸
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA	Buehler	407518	用于 3 μm 悬浮液的抛光布
METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC	Buehler	406631	抛光悬浮液（3 μm）
MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA	Buehler	407218	用于 50 nm 悬浮液的抛光布
MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ	Buehler	636377006	抛光悬浮液（50 nm）
Skyscan 1076 micro-CT Scanner	Bruker		显微CT扫描仪设备
Amira 软件	FEI Visualization Sciences Group		用于显微CT扫描图像三维处理的软件
FEI Philips XL30	FEI Philips		用于表征抛光牙齿横截面的环境扫描电子显微镜（ESEM）设备
SolidWorks 设计软件	Dassault Systems		用于绘制仿生装置CAD图纸的设计软件
SolidWorks Simulation 软件	Dassault Systems		用于对仿生装置CAD图纸进行应力测试的仿真软件
Dimension 1200es	Stratasys		根据CAD图纸制造仿生装置的3D打印机
ABSplus	Stratasys		3D打印用塑料材料