Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws

Michael B. Frank; Steven E. Naleway; Taylor S. Wirth; Jae-Young Jung; Charlene L. Cheung; Faviola B. Loera; Sandra Medina; Kirk N. Sato; Jennifer R. A. Taylor; Joanna McKittrick

doi:10.3791/53554

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Methodenartikel

Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws

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DOI:

10.3791/53554

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24. April 2016

Michael B. Frank¹ , Steven E. Naleway¹ , Taylor S. Wirth² , Jae-Young Jung¹ , Charlene L. Cheung² , Faviola B. Loera² , Sandra Medina² , Kirk N. Sato³ , Jennifer R. A. Taylor⁴ , Joanna McKittrick¹^,²

¹Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, ²Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, ³Integrative Oceanography Division, Center for Marine Biodiversity and Conservation, Scripps Institution of Oceanography, ⁴Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein Protokoll für bioinspiriertes Design wird für ein Probenahmegerät beschrieben, das auf den Kiefern eines Seeigels basiert. Der Bioinspirationsprozess umfasst die Beobachtung der Seeigel, die Charakterisierung des Mundstücks, den 3D-Druck der Zähne und ihrer Montage sowie die Bioexploration der Zahnstruktur.

Zusammenfassung

Bioinspiriertes Design ist ein aufstrebendes Gebiet, das sich von der Natur inspirieren lässt, um Hochleistungsmaterialien und -geräte zu entwickeln. Das Mundstück des Seeigels, bekannt als die Laterne des Aristoteles, ist eine überzeugende Quelle der Bioinspiration mit einem komplizierten Netzwerk aus Muskulatur und Kalkzähnen, die kratzen, schneiden, essen und Löcher in felsige Substrate bohren können. Wir beschreiben den Bioinspirationsprozess so, dass er die Tierbeobachtung, die Charakterisierung von Proben, die Herstellung von Geräten und die Bioexploration des Mechanismus umfasst. Der letzte Schritt der Bioexploration ermöglicht ein tieferes Verständnis der anfänglichen Biologie. Die Konstruktionsarchitektur der Laterne des Aristoteles wird mit Mikro-Computertomographie analysiert und einzelne Zähne werden mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht, um die Mikrostruktur zu identifizieren. Bioinspirierte Designs werden mit einem 3D-Drucker hergestellt, zusammengebaut und getestet, um den effizientesten Öffnungs- und Schließmechanismus der Laterne zu ermitteln. Zähne aus dem bioinspirierten Laternendesign werden mittels Finite-Elemente-Analyse bioerforscht, um aus mechanischer Sicht zu erklären, warum sich die gekielten Zahnstrukturen in den von uns beobachteten modernen Seeigeln entwickelt haben. Dieser zirkuläre Ansatz ermöglicht es, neue Rückschlüsse aus der Biologie und der Natur zu ziehen.

Einleitung

Die Felder der Biologie, biologische Materialwissenschaften, Biomaterialien, Biotechnik und Biochemie beschäftigen die Premiere wissenschaftlichen Techniken und Köpfe in einem Versuch, ein tieferes Verständnis für die unglaubliche Natur zu bieten. Diese Forschung hat viele der erstaunlichsten biologischen Strukturen und Organismen erklärt; von der intrinsischen Zähigkeit des menschlichen Knochens ^1,2 der großen Schnabel des Tukan ^3. Jedoch viel dieses Wissens ist schwierig, in einer Weise zu verwenden, die einen Nutzen für die Gesellschaft liefern kann. Als Ergebnis setzt der tangentiale Bereich der Bioinspiration die Lehren aus der Natur zu mod....