一种仿生设计协议：基于海胆颚部的海底采样器

本实验方案的目的是研究海胆口器（亚里士多德提灯）的天然结构，通过工程学分析开发一种受生物启发设计的沉积物采样原型，以验证生物特征在仿生设计中的应用。该方法有助于回答仿生设计领域中的关键问题：具体而言，为何海胆会进化出具有龙骨状结构的牙齿，以及这种结构在沉积物采样中可能具有何种用途。

该技术的主要优势在于为多种天然结构的仿生设计研究提供了一个通用框架。其他类似结构包括海马尾巴、箱鲀的甲板以及刺豚鱼的棘刺。从技术上讲，这意味着增强了一种专有的表面探测方法，因为将矿物探针与生物碎屑沉积物采样器结合后，能够高效地收集少量样品。

通常，初次接触该方法的人会遇到困难，因为每种仿生方案的具体目标会因所研究的天然结构类型不同而有所差异。解冻海胆后，将其摆成解剖姿势，使齿尖朝上，然后开始切割亚里士多德提灯周围边缘的结缔组织。

然后，小心取出海胆 lantern，用流动的蒸馏水冲洗干净。使用镊子去除外部残留的组织，并小心打开 lantern 以取出牙齿。或者，将干燥的 lantern 再次用水冲洗，即可使其散开，从而更方便地获取牙齿。

现在，取一颗牙齿，小心地将其浸入一支新配制的环氧树脂管中。将牙齿的弯曲凹面朝上放置，避免牙齿接触管壁。然后，在室温下静置固化 24 小时。

第二天，使用切片锯将牙齿周围的环氧树脂切除至大约一立方厘米。然后，用125号或更粗的砂纸，在轻压下朝一个方向摩擦样品五分钟。逐步更换为更细的砂纸，直至2400号。

对于每种粒度的砂纸，务必使样品旋转90度。根据需要使用显微镜确认，每种粒度的砂纸打磨方向始终保持一致。打磨完成后，用体积分数为50%的水性半微米氧化铝抛光液浸湿一块微纤维布。

然后将样品来回摩擦五分钟。抛光后，使用无颗粒的纸巾清洁样品，再用同一张纸巾包裹样品以供储存。接下来，采用扫描电子显微镜对牙齿的微观结构进行表征。

喷镀处理后，对样品拍摄250至500倍的显微图像。随后对整个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。将样品置于成像室内的湿润组织上。

对于身体部分，采用各向同性体素尺寸36微米，在100千伏峰值和100毫安条件下进行扫描。对于灯笼结构，采用约9微米的各向同性体素尺寸，在70千伏峰值和141毫安条件下进行扫描。两者均使用1.0毫米铝滤波器。

通过显微CT扫描和CAD建模，设计出一种仿生结构，其闭合状态下的灯笼形结构具有五个弯曲的齿，高度为六厘米，直径为八厘米，是天然亚里士多德灯笼结构的五倍大小。为该仿生颚部的每个部件生成用于3D打印的STL文件。准备3D打印机，首先装载丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料和支撑材料塑料 cartridge。

然后将建模底座安装到Z平台上，首先将底座上的卡舌与托盘中的插槽对齐。现在打开STL文件部件，按照显示屏上的步骤同时对各个灯笼部件进行定位并打印。此处展示的是3D打印一个关节臂的示例。

打印完成后，从卡扣处松开模型底板，并沿托盘导轨将底板从打印机中滑出。随后使用金属刮刀将打印件从底板上撬下。取下后，将打印件放入加热的底浴中，直至支撑用的塑料材料完全溶解。

现在，使用两侧的E型卡环，通过连杆将每颗牙齿固定到关节臂上，并组装仿生亚里士多德灯笼结构。利用仿生牙齿的CAD文件，进行有限元建模应力分析测试。首先，打开该文件。

开始一项新研究，选择以固定几何形状运行静态测试。然后，单击界面，在将要安装销钉的安装孔处添加固定装置。

接下来，设置外部载荷的力。单击牙齿研磨尖端的表面，在边缘施加 45 牛顿的力。现在，设置重力。

在顶面设置中指明重力应垂直作用于该平面。接下来，在设计表面创建网格，并将网格密度设置为精细。现在运行测试，以比较带有龙骨和不带龙骨的牙齿结构之间的差异。

彩色标尺将显示应力最高的区域。对海胆牙齿和亚里士多德提灯的无创成像在实现仿生设计过程中起到了关键作用。通过扫描电子显微镜（SEM）对牙齿微观结构进行的详细分析，证实了牙齿研磨尖端富镁石质部分在结构上的重要性。

在牙齿研磨尖端最坚硬的石质区域，板状和纤维状初级结构单元通过次级单元构成的基质相互连接。较硬的石质部分以深灰色显示，其中最多有40%的镁原子取代了钙原子。因此，该仿生灯笼结构采用计算机辅助设计（CAD）软件设计，经3D打印并组装而成。

设计的最终目的是收集沙子。通过在CAD设计上进行计算机应力测试，验证了龙骨结构在设计中的重要性。当施加45牛顿的力时，带龙骨齿状结构的设计所承受的最大应力约降低了16%。

然而，龙骨仅使设计质量增加百分之四。在尝试进行仿生设计时，重要的是从对自然结构在其生物形态下的仔细观察开始，或通过使用无损表征方法（如显微CT和扫描电镜）进行研究。遵循这一通用流程，可将来自其他天然结构的仿生设计应用于工程领域的多种实际场景中。

基于迈克尔·波特（Michael Porter）教授工作的最终生物探索步骤，对于利用工程分析方法量化海胆牙齿中脊状结构的机械优势尤为重要。