Method Article

Ein Millimeter Skala Biege-Prüfsystem zur Messung der mechanischen Eigenschaften von marinen Schwamm Knochensplitter

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf Sub-Millimeter Skala Fasern mit einer speziell angefertigten mechanische Prüfeinrichtung. Das Gerät kann Kräfte von 20 µN bis zu 10 N bis hin zu messen und kann daher eine Vielzahl von Faser Größen unterbringen.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viele Laden mit biologischen Strukturen (LBBSs) — wie Feder Rachises und Knochensplitter — sind klein (< 1 mm) aber nicht mikroskopisch. Messung der Biegefestigkeit Verhaltens dieser LBBSs ist wichtig für das Verständnis der Ursprünge ihrer bemerkenswerten mechanischen Funktionen.

Wir beschreiben ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche mit einer Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung, die messen können Kräfte von 10-5 bis 101 N und Verschiebungen von 10-7 bis 10-2 m. Der Hauptvorteil dieser mechanischen Prüfgerät ist, dass die Gewalt und Vertreibung Kapazitäten für unterschiedliche LBBSs leicht angepasst werden können. Das Gerät Funktionsprinzip ist ähnlich wie ein Rasterkraftmikroskop. Kraft ist nämlich auf die LBBS durch einen Lastpunkt angewendet, bis zum Ende des Freischwinger angefügt ist. Die Last Punkt Vertreibung ist ein Faser-optischen Wegsensor gemessen und umgewandelt in eine Kraft mit der gemessenen Cantilever-Steifigkeit. Das Gerät Kraftbereich einstellbar mit Kragarmen der verschiedenen Steifigkeiten.

Die Gerätefunktionen werden demonstriert, indem die drei-Punkt-Biegeversuche auf das Skelett Elemente des marinen Schwammes Euplectella Aspergillus. Die skelettartigen Elementen – bekannt als Knochensplitter — sind Kieselsäure-Fasern, die ca. 50 µm im Durchmesser sind. Wir beschreiben die Verfahren für die Kalibrierung der mechanischen Messgerät, Montage der Knochensplitter auf eine Dreipunkt-Biege Vorrichtung mit einer ≈1.3 mm Spannweite, und testen Sie ausführen, eine Biegung. Die Krafteinwirkung auf das Spicule und die Durchbiegung am Standort der angewandten Kraft gemessen werden.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Durch das Studium der Architekturen von Tragkonstruktionen biologische (LBBSs), wie Shell und Knochen, haben Ingenieure neue composite-Materialien entwickelt, die stark und zäh 1sind. Es hat sich gezeigt, dass die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von LBBSs und ihre Kollegen bioinspirierte mit ihrer komplizierten internen Architekturen 2zusammenhängen. Die Beziehungen zwischen LBBS Architekturen und mechanischen Eigenschaften sind jedoch nicht vollständig geklärt. Ein LBBS mechanische Reaktion gemessen, ist der erste Schritt zum Verständnis, wie die Architektur seiner mechanischen Eigenschaften verbessert.

Es ist jedoch wichtig, dass die Art des Tests verwendet, um eine LBBS mechanische Reaktion messen mit seiner mechanischen Funktion übereinstimmt. Da Federn aerodynamischen Belastungen unterstützen müssen, ist die primäre Funktion einer Feder Rachis beispielsweise Biege Steifigkeit 3liefern. Daher ist ein Biegeversuch bevorzugt, einen einachsigen Zugversuch für seine mechanische Reaktion gemessen. In der Tat, viele LBBSs — z. B. Feder Rachises 3, Rasen ergibt 4und Knochensplitter 5,6,7,8— in erster Linie durch Biegen verformen. Deshalb, weil diese LBBSs schlank sind –d. h., ihre Länge ist deutlich größer als ihre Breite oder Tiefe. Jedoch durchführen Biegeversuche auf diese LBBSs ist eine Herausforderung, weil die Kräfte und Verschiebungen, die sie, bevor ein Fehler auftritt widerstehen können von 10-2 bis 10 reichen2 N und 10-4 10-3 m, bzw. 3 , 4 , 5 , 7 , 8. Infolgedessen das Gerät verwendet, um diese mechanische Tests durchzuführen müssen Gewalt und Vertreibung Auflösungen von ≈10-5 N und ≈10-7 m (d.h. 0,1 % der Maximalkraft messbar und Verschiebung des Sensors), beziehungsweise.

Im Handel erhältlich, in großem Maßstab, nicht mechanische Prüfsysteme in der Regel messen Kräfte und Verschiebungen mit dieser Auflösung. Während Rasterkraft Mikroskop-basierte 9,10 oder mikroelektromechanische Systeme-basierte 11 Prüfgeräte ausreichende Auflösung haben, können sie messen, die Maximalkraft (jeweiligen Verschiebung) ist kleiner als die Maximalkraft (jeweiligen Verschiebung), die die LBBS standhalten können. Daher muss zum Durchführen von Biegeversuche auf diese LBBSs, Ingenieure und Wissenschaftler auf kundenspezifische mechanische Tests Geräte 5,7,12,13verlassen. Der Hauptvorteil dieser Custom-Built Geräte ist, dass sie große Bereiche der Kräfte und Verformungen aufnehmen können. Jedoch, den Bau und Betrieb dieser Geräte ist nicht gut dokumentiert in der Literatur.

Ein Protokoll wird beschrieben, für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche mit einer Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung, die messen können Kräfte von 10-5 bis 101 N und Verschiebungen von 10-7 bis 10-2 m. Technische Zeichnungen, darunter alle Dimensionen, die Komponenten der mechanischen Prüfeinrichtung sind in das ergänzende Material zur Verfügung gestellt. Der Hauptvorteil dieser mechanischen Prüfgerät ist, dass die Gewalt und Vertreibung reicht leicht angepasst werden können verschiedene LBBSs. Das Gerät Funktionsprinzip ist ähnlich wie ein Rasterkraft-Mikroskop- 9. In diesem Gerät befindet sich eine Probe über einen Graben in eine Edelstahlplatte geschnitten (siehe Abbildung 1A-C). Die Spanne des Grabens wird vom optischen Mikrographen zu 1278 ± 3 µm gemessen (Mittelwert ± Standardabweichung; n = 10). Die Trench-Kanten unterstützen die Probe bei Biegeversuch (siehe Abbildung 1und D). Diese Probentisch eine dreiachsige Verschiebetisch befestigt und unter einem Aluminium-Keil so positioniert, dass der Keil auf halbem Weg über den Graben Spannweite befindet (siehe Abbildung 1C). Durch Bewegen der Bühne in der figure-introduction-1 Richtung (siehe Abbildung 1A, und C), die Probe in den Keil, wodurch die Probe biegen geschoben.

Wir verweisen auf den Keil der Last Point Spitze (LPT) sowie die Komponente des Geräts, das den Keil als Lastpunkt (LP) enthält. Die LP ist bis zum Ende des Freischwinger angebracht deren Verdrängung durch eine Faser-optischen Wegsensor (FODS) gemessen wird. Die FODS strahlt infrarotes Licht, die auf der Oberseite der LP von einem Spiegel reflektiert wird (siehe Abbildung 1B) und erhielt durch eine Glasfaser in die FODS. Ein ≈5 mm quadratischen Stück einen polierten Siliziumwafer dient als LP-Spiegel und ist angebracht, um die LP mit Epoxy. Die FODS misst Verschiebungen durch den Vergleich der Intensität des emittierten und reflektierten Lichts. Der Freischwinger Steifigkeit und Vertreibung werden verwendet, um die Kraft zu berechnen figure-introduction-2 , von der Keil durch seine Wechselwirkung mit der Probe erlebt. Die Cantilever-Verschiebung dient auch zur Verschiebung der Querschnitt der Probe unter den Keil, berechnen figure-introduction-3 . Freischwinger-basierte Kraftsensoren wurden in einer Reihe von Mikro- und Makroebene mechanische Tests Studien 10,11,12,13,14verwendet. Die konkrete Ausgestaltung, die hier vorgestellt wird von einem mechanischen Tests Gerät verwendet für die Durchführung von Klebstoff Kontakt Experimente 14angepasst. Ein ähnliches Design wurde auch in einem handelsüblichen Micro-Tribometer 15,16eingesetzt.

figure-introduction-4
Abbildung 1: Übersicht über die Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung. (A) A Computer-aided Design Rendering des Geräts. Die Bühne-Komponenten sind in grün hervorgehoben. Die Force sensing-Unterbaugruppe (Freischwinger, Lastpunkt (LP)) ist rot markiert. (B) ein vergrößert Ansicht von (A). Der LP-Spiegel zeigt in blau auf der Oberseite der LP unter dem FODS und LPM beschriftet ist. (C) das Koordinatensystem verwendet, um die Bewegung der Übersetzung Bühne beschreiben. Durch Abgleich the-Bühne im Schritt 1.9 des Protokolls, die figure-introduction-5 Richtung erfolgt zeitgleich mit der Vektor senkrecht zur Fläche des Spiegels LP. (D) eine schematische Darstellung der Dreipunkt-Biege-Konfiguration zeigt die Verformung der Spicule und die gemessenen Verformungen figure-introduction-6 , und figure-introduction-7 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Gerätefunktionen werden demonstriert, indem die drei-Punkt-Biegeversuche auf das Skelett Elemente des marinen Schwammes Euplectella Aspergillus6,7. Dieser Schwamm Skelett ist eine Versammlung von Filamenten, genannt Schwammnadeln (siehe Abb. 2A). Die Nadeln sind ≈50 µm dick und bestehen hauptsächlich aus Kieselsäure 6. Biosilica-basierte Knochensplitter befinden sich in Schwämmen, die Zugehörigkeit zu den Klassen Demospongiae, Homoscleromorpha und Hexactinellida. Schwämme, wie E. Aspergillus, die gehören zu der Klasse Hexactinellida sind auch bekannt als "Glas Schwämme." Während die Knochensplitter Glas Schwämme in erster Linie aus Kieselsäure bestehen, hat sich gezeigt, dass die Kieselsäure oft eine organische Matrix bestehend aus entweder Kollagen 17,18 oder Chitin 19,20 enthält , 21. dieser organische Matrix spielt eine wichtige Rolle in Kieselsäure Biomineralisation 18,20. Darüber hinaus in einigen Knochensplitter dient die organische Matrix auch als Vorlage für die Biomineralisation von Kalzium 22. Zusätzlich innerhalb der Kieselsäure verteilt wird, kann die organische Matrix auch unterschiedliche Schichten bilden, die das Spicule Kieselsäure in konzentrischen, zylindrische Lamellen 6,23zu partitionieren. Es hat sich gezeigt, dass diese konzentrischen, lamellare Architektur die Knochensplitter Verformung Verhalten 6,7,8,24,25,26 beeinflussen können . Infolgedessen die Knochensplitter mechanischen Eigenschaften werden durch eine Kombination von ihrer Chemie bestimmt (zB., die chemische Struktur des Verbundes Kieselsäure-Protein) und ihre Architektur- 27. Die chemische Struktur und Architektur des Glas Schwamm Knochensplitter sind noch in der Untersuchung 24,28,29.

Die meisten der Knochensplitter in E. Aspergillus werden zusammen bilden einen steifen Skelett Käfig zementiert. An der Basis des Skeletts ist jedoch eine Büschel von sehr langen (≈10 cm) Knochensplitter bekannt als der Anker Schwammnadeln (siehe Abb. 2A). Wir beschreiben das Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf kleine Abschnitte der Anker Schwammnadeln.

In Schritt 1 des Protokolls wird das Verfahren für die Montage und Ausrichtung der Komponenten der Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung beschrieben. Schritte 2 und 4 des Protokolls bieten Anleitungen für Erzeugung von Kalibrierdaten verwendet, um Kräfte und Verschiebungen in der Biegeversuch berechnen. Die Schritte unternommen, um einen Abschnitt eines Spicule vorbereiten und montieren Sie es auf die Prüfvorrichtung sind in Schritt 3beschrieben. Das Verfahren für die Durchführung der Biegeversuch im Abschnitt Spicule wird in Schritt 5beschrieben. Zu guter Letzt im Abschnitt Vertreter Ergebnisse die Kalibrierdaten erhalten Sie in Schritte 2 und 4 dienen zusammen mit der Biegung Testdaten in Schritt 5 erhaltenen berechnen figure-introduction-8 und figure-introduction-9 .

figure-introduction-10
Abbildung 2: Verfahren für Schnitt und Inspektion E. Aspergillus Schwammnadeln. (A) das Skelett des E. Aspergillus. Die Büschel der freistehenden Anker Knochensplitter ist an der Basis des Skeletts dargestellt. Die Maßstabsleiste beträgt ~ 25 mm (B), die einen einzigen Anker Spicule auf einen Objektträger mit einem #00000 rot Sable Pinsel und geschnitten, mit einer Rasierklinge gehalten ist. Die Maßstabsleiste beträgt ~ 12 mm (C) ein Abschnitt einer E. Aspergillus -Spicule über den Graben auf der Probe-Bühne platziert. Der Graben Kanten und Graben Ridge sind blaugrün und Orange, hervorgehoben. Das Spicule wird gegen die Kante des Grabens geschoben, um sicherzustellen, dass ihre Achse senkrecht bis an den Rand des Grabens ist. (D) ein Schliffbild von einem Spicule, der vergeht der Inspektion beschriebene in Schritt 3.4 des Protokolls, das beschreibt, wie um festzustellen, ob ein Spicule Abschnitt beschädigt ist und verworfen werden muss. (E) ein Schliffbild von eine Spicule enthält viele Risse und große Teile der Silizium-Schichten, die dem in Schritt 3.4 des Protokolls beschriebenen Prüfverfahren scheitern würde fehlen. Skalieren von Balken = 250 µm (C), 100 µm (D) und 100 µm (E). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Montage und Ausrichtung

  1. Wählen Sie ein Freischwinger, deren Steifigkeit eignet sich für das beabsichtigte Experiment. Legen Sie die LP auf der Cantilever Schrauben #4-40 Socket Head Cap (SHCSs) (siehe Abbildung 3). Achten Sie darauf, nicht plastisch verformen die Cantilever-Arme bei der Befestigung der LP.

figure-protocol-1
Abbildung 3: Verfahren für die Montage der Cantilever force Sensor und Messung seine Steifigkeit. (A) die Last Punkt (LP) ist an der Cantilever (C), mit der Last Point Spitze (LPT) spitz nach oben befestigt. (B) der Cantilever und LP Unterbaugruppe ist die Cantilever-Platte, bezeichnet als CP an. Die eingelassene Tasche der Cantilever-Platte ist unter den Freischwinger Armen dargestellt. (C) die Cantilever-Platte ist an der Unterseite des Rahmens befestigt, so dass die Seite der Platte angezeigt (B) zeigt die figure-protocol-2 Richtung. FODS Mikrometer ist als zegit (D) die Drahthaken bezeichnet und Kalibriergewichte in Schritt 2 des Protokolls verwendet werden angezeigt, aus dem Loch in der LPT hängen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. ein paar Tropfen 2-Propanol, einem Fussel freien Wattestäbchen und wischen Sie die Oberfläche des Spiegels LP. Überprüfen Sie den Spiegel für Kratzer und den Spiegel zu ersetzen, wenn es beschädigt ist.
  2. Lose der Cantilever zuordnen der Cantilever-Platte mit #6-32 SHCSs auf der Seite der Platte mit der eingelassenen Tasche mit dem LPT zeigt Weg von der Platte (siehe Abbildung 3 B). Legen Sie die 1/8 " Passstifte durch die Freischwinger und Platte, ziehen Sie die Schrauben, und entfernen Sie dann die Passstifte.
  3. Zurückziehen so weit wie möglich FODS durch Drehen der FODS Mikrometer gegen den Uhrzeigersinn (siehe Abbildung 3 C). Befestigen Sie lose die Cantilever-Platte am Rahmen mit #6-32 SHCSs mit dem LPT zeigt die figure-protocol-3 Richtung (siehe Abbildung 1 A). Legen Sie die 1/8 " Passstifte durch die Rahmen und Cantilever-Platte, ziehen Sie die Schrauben, und entfernen Sie dann die Passstifte (siehe Abbildung 3 C).
  4. Schalten Sie liefern und die Spannung um 12.00 Uhr V in konstanter Spannungsmodus mit Hilfe des Einstellknopfes eingestellt. Dann schalten Sie die Ausgangsspannung und bestätigen, dass die Stromaufnahme am Netzteil angezeigt ' s LCD Bildschirm ist etwa 60-70 mA. Warten Sie mindestens eine Stunde für die Stromaufnahme, Steady-State Verringerung der Messunsicherheit Spannung zu erreichen.
  5. Öffnen und führen Sie das Basic_Data-Programm (siehe ergänzende Codedateien). Die FODS Mikrometer (siehe Abbildung 3 C und Abbildung 4 A) durch Drehen im Uhrzeigersinn bewegen, die FODS in Richtung der LP zu spiegeln, bis die Ausgangsspannung auf der Benutzer-Schnittstelle-Graph angezeigt einen Maximalwert erreicht.
    1. Stellen Sie die Verstärkung des FODS durch Drehen des Gerätes seitlich am Gehäuse FODS, Schrauben so dass die Ausgangsspannung ist 5.0 V. wiederum die FODS Mikrometer gegen den Uhrzeigersinn um die FODS zurückzuziehen.
  6. Der Mikroskop-Beleuchtung einschalten und Mikroskop ausrichten und konzentrieren sich die manuelle Übersetzung zweistufig mit, so dass die LPT in das Sichtfeld zentriert ist. Das Basic_Data-Programm zu beenden, indem Sie auf die ' stoppen ' Schaltfläche ".
  7. Öffnen die Motorsteuerung-User-Interface-Software. Verwenden Sie den Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-4 -Achse motor Controller Umzug die Bühne in die maximale zulässige Reise in die < Img Alt "Gleichung 6" Src = "/ Dateien/Ftp_ = Upload/56571/56571eq6.jpg"/ > Richtung und Satz der Grundstellung durch Klicken auf das ' Home ' Schaltfläche auf der Benutzeroberfläche.
    1. Verwendung der Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-5-Achse motor Controller Umzug die Bühne in die maximale zulässige Reise in die figure-protocol-6 Richtung und Satz der Grundstellung. Schließen Sie die User-Interface-Software.
  8. Die Bühne auf der Bühne-Grundplatte (siehe Abbildung 4 A) Sitz, so dass die Spitzen der Mikrometer-Köpfe auf die Nivellierung Rest in der Bühne Grundplatte Divots Platte. Legen Sie eine Wasserwaage auf die Isolierung Tisch und stellen Sie den Druck in den einzelnen in der Tabelle ' Beine durch Drehen des Ventils Rändelschrauben zu bewaffnen, damit die Fläche eben ist.
    1. Die Libelle an die Spitze der Nivellierung Platte Bühne zu bewegen und die Mikrometer so einstellen, dass er auch waagerecht steht. Notieren Sie die Positionen der Mikrometer und entfernen Sie die Bühne von der Bühne Grundplatte zu. Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten.

figure-protocol-7
Abbildung 4: das mechanische Prüfgerät wie in zusammengebaut Schritte 1,9 und 3.7 des Protokolls. (A) der Probe-Bühne (SS), wird die Übersetzung-Bühne (TS) an und ist eingeebnet, mit dem Mikrometer auf der Bühne Nivellierung Platte (SLP), die auf der Bühne-Grundplatte (SBP) sitzen. Die Bühne-Grundplatte ist die optische Steckbrett der Isolierung Tabelle beigefügt. Der Cantilever (C); Freischwinger-Platte (CP); und Fiber optic Wegsensor (FODS) bilden die Force sensing-System. (B) die Last Punkt (LP) wird an der Cantilever und die Last Point Spitze (LPT) ist über das Spicule auf der Probe-Bühne positioniert. Während ein Biegeversuch wird die Verschiebung der LP mit der FODS gemessen. Der ursprüngliche Abstand zwischen der FODS und der LP-Spiegel gesteuert FODS Mikrometer (FM) in (A) gezeigt. (C) A Schliffbild von der Verlegung über den Graben in den Probentisch, unterhalb der LPT Spicule. Maßstabsleiste = 250 µm (C). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

2. Freischwinger Steifigkeit Messung

  1. führen Sie das Basic_Data Programm und wende die FODS Mikrometer im Uhrzeigersinn bis die Ausgangsspannung etwa 4 V. Stop beträgt das Programm durch Klicken auf die ' stoppen ' Schaltfläche ".
  2. Messen die Masse der Draht Haken und Kalibrierung Gewichte mit einer Analysenwaage.
  3. Öffnen Sie das Cantilever_Calibration-Programm (siehe ergänzende Codedateien) und geben Sie den gewünschten Dateinamen für die Truppe CaliBration Ausgabedatei in das Textfeld in der Benutzeroberfläche.
  4. Führen Sie das Cantilever_Calibration-Programm und klicken Sie auf ' OK ' Wenn Sie aufgefordert werden, geben die Masse des ersten Kalibriergewicht. Warten, bis die Ausgangsspannung angezeigt, in der Benutzer-Schnittstelle Grafik zu stoppen, oszillierende und klicken Sie auf die grünen ' stabilisierte Spannung ' Taste um eine Spannungsmessung vorzunehmen.
  5. Verwendung Pinzette, um den Draht hängen Haken aus dem Loch in der LPT, so dass der Haken von Mikroskopobjektiv (siehe Abbildung 3) abgewandt ist. Die Pinzette verwenden, um die Schwingung der Cantilever, verursacht durch die Zugabe des Hakens zu dämpfen.
    1. Geben Sie die Masse des Hakens in Gramm im Dialogfeld und klicken Sie auf ' OK '. Wie im vorherigen Schritt warten, bis die Ausgangsspannung zu stoppen oszillierenden bevor Sie auf die ' stabilisierte Spannung ' Schaltfläche ".
  6. Verwendung einer Pinzette das erste Gewicht am Draht hängen Haken und wiederholen Sie den Vorgang der Einnahme einer Spannungsmessung, wie im vorherigen Schritt beschrieben. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis alle der Kalibriergewichte aufgehängt worden haben oder die Ausgangsspannung weniger als 1,8 V ist. An dieser Stelle klicken ' abbrechen ' im Dialogfeld für das Cantilever_Calibration-Programm zu beenden.
  7. FODS Mikrometer drehen gegen den Uhrzeigersinn um die FODS zurückzuziehen. Entfernen Sie vorsichtig den Haken und Gewichte aus der LPT.
    Hinweis: Die Ausgabedatei Kraft Kalibrierung ist eine getrennt Registerkartenliste der Kraft durch die Kalibrierung Massen, der Mittelwert von 100 FODS Ausgang Spannung Lesungen und die Standardabweichung der die Lesungen. Die Vertreter Ergebnisse Abschnitt wird beschrieben, wie diese Datendatei verarbeitet wird, um die Cantilever-Steifigkeit zu messen.

3. Probenvorbereitung

  1. Verschleiß Nitril-Handschuhe beim Umgang mit E. Aspergillus Schwamm Skelette und die Skelette in versiegelten Behältern aufbewahren, wenn sie nicht behandelt werden.
    Achtung: Da die Knochensplitter in erster Linie an Kieselsäure bestehen, gebrochene Spicule Fragmente sind scharf und können in der Haut, was zu Reizungen eingebettet werden.
  2. Pinzette verwenden, um einen Anker Spicule durch seine distalen Ende und ziehen Sie es aus dem Skelett entfernen zu erfassen (siehe Abbildung 2 A). Legen Sie die Spicule auf einen sauberen Objektträger.
  3. Halten die Spicule gegen die Folie nahe dem Mittelpunkt entlang seiner Länge mit einem #00000 rot-Sable Pinsel. Schneiden Sie ein ≈ 4 mm Abschnitt des Spicule durch Drücken einer Rasierklinge gegen die Spicule auf beiden Seiten der Bürste senkrecht zur Folie Oberfläche (siehe Abbildung 2 B). Die große distale und proximale Spicule Abschnitte zu verwerfen und halten die ≈ Abschnitt 4 mm.
  4. Inspizieren Abschnitt 4-mm-Spicule mit einem polarisierten Licht Mikroskop bei 10 X Vergrößerung (siehe Abbildung 2 C-E). Verwerfen Sie Abschnitt Spicule und zurück zum Schritt 3.2 fehlt es große Regionen der Silizium-Schichten (siehe Abbildung 2 E). Geprüfte Spicule Abschnitte ausschließlich mit dem #00000 rot Sable Pinsel um zu vermeiden Einführung neue Schäden an ihre Silizium-Schichten zu behandeln.
  5. Keine Spicule Fragmente oder andere Partikel von der Oberfläche der Probe-Bühne mit einer Bürste oder Druckluft reinigen. Dann ein paar Tropfen 2-Propanol zu einem Fussel freien Wattestäbchen und wischen Sie dem Probentisch. Vermeiden Sie den Kontakt mit den Bereichen der Bühne mit nicht-reflektierende Farbe beschichtet. Hinweis: Die Farbe wird verwendet, um die Zahl der spiegelnde Reflexionen in den Bildern, die während der Biegung Test
  6. Abschnitt Spicule auf den Probentisch übertragen. Positionieren Sie den Spicule Abschnitt über den Graben mit der gewünschten Zeitspanne für die Biegeversuch und schieben Sie es die figure-protocol-8 Richtung gegen den Graben Grat. Sicherzustellen, dass die Spicule senkrecht bis an den Rand des Grabens ist (siehe Abbildung 2 C).
  7. Sitz die Bühne auf der Bühne-Grundplatte, so dass die Spitzen der Mikrometer Spindeln in der Bühne Grundplatte Divots ruhen. Passen Sie ggf. die Mikrometer auf der Bühne, die Platte auf die Werte in Schritt 1.9 des Protokolls notierte Nivellierung.

4. Spannung-Verschiebung Interpolation Datei

  1. Öffnen Sie das Bending_Test-Programm (siehe ergänzende Codedateien). Festlegen der ' Schrittweite ' bis 2 µm ' maximale Verschiebung ' bis 0,5 mm ' Niederspannung Stop ' auf 1,5 V, und ' Hochspannung Stop ' auf 4,6 V mit Textfeldern, die in der Benutzeroberfläche angezeigt.
    1. Wählen Sie die gewünschten Bild- und Verzeichnisse und die Ausgabe-Datei-Namen mit dem Text-Boxen in der Benutzeroberfläche. Legen Sie die ' Bilder speichern ' wechseln Sie in der Benutzeroberfläche in der unteren Position und klicken Sie auf die grüne rechteckige Taste unterhalb der Wörter ' Spannungsdifferenz ' sodass es beleuchtet wird.
  2. Das Bending_Test-Programm ausführen und warten, bis der motor Controller und Kamera Schnittstellen zu initialisieren.
  3. Schalten Sie die Beleuchtung und die Helligkeit anpassen, so dass die LPT sichtbar ist. Die FODS Mikrometer im Uhrzeigersinn drehen, bis die Ausgangsspannung in der Benutzer-Schnittstelle-Grafik angezeigt ~1.7 V. wird
    1. Verwendung der Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-9-Achse motor-Controller auf die Bühne bewegen sich in die figure-protocol-10 Richtung, bis Es ist ~ 1 cm unterhalb der LPT und Satz der figure-protocol-11-Achse Ausgangsposition durch Klicken auf die " Home " Schaltfläche ".
  4. Verwenden Sie die Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-12- und figure-protocol-13-Achse Motorsteuerungen, die LPT zu positionieren mittig auf das dünne Stahlband befindet sich auf der Probe-Bühne in der figure-protocol-14 Richtung vom Graben. Verwenden Sie den Schieberegler Potentiometer auf der figure-protocol-15-Achse motor-Controller auf die Bühne bewegen sich in die figure-protocol-16 Richtung, bis die Bühne befindet sich das Mikroskop ' Sichtfeld s.
  5. Verwenden Sie den Schieberegler Potentiometer auf der figure-protocol-17-Achse motor-Controller auf die Bühne bewegen sich in die figure-protocol-18 Richtung, während beobachten die Ausgang Spannung Diagramm in der Benutzeroberfläche. Bestimmen Sie die ungefähre Position an die Kontakte der LPT die Bühne ' s Oberfläche durch auf der Suche nach einer Änderung in der Spannung mit weitere Bewegung der Bühne. Einfahren der Bühne ca. 10 µm.
  6. Klicken Sie auf die Schaltfläche mit der Bezeichnung " beginnen Test ". Wenn Sie aufgefordert werden, geben Sie Werte von 0,003 V und 0,001 mm für ' touch Empfindlichkeit ' und ' aus Schrittgröße berühren ', beziehungsweise. Warten Sie auf den Test abschließen.
    Hinweis: Nach diesem Zeitpunkt die Bühne von der Bühne Grundplatte erst entfernen der Biegeversuch abgeschlossen um genaue Verschiebung Messungen zu gewährleisten ist. Die Ausgabedatei Spannung-Verschiebung Interpolation ist eine getrennt Registerkartenliste der Mittelwert von 100 FODS Ausgang Spannung Lesungen und die Standardabweichung der die Lesungen zusammen mit der figure-protocol-19- Achse Tischposition auf jeder Bühne Verschiebung Inkrement. Die Vertreter Ergebnisse Abschnitt wird beschrieben, wie diese Datendatei konvertieren gemessenen FODS Ausgangsspannungen auf LP Verschiebungen verwendet wird.

5. Biegen Test

  1. öffnen und Ausführen der Basic_Data programmieren und FODS Mikrometer gegen den Uhrzeigersinn drehen, bis die Ausgangsspannung auf der Benutzer-Schnittstelle-Graph angezeigt ist etwa 3 V. verwenden Sie den Schieberegler Potentiometer auf der < Img Alt = "Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -Achse Motorregler, positionieren Sie den LPT zwischen den Graben Kanten oben Spicule (siehe Abbildung 4 C).
    1. Verwendung der Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-20-Achse motor-Controller auf die Bühne bewegen sich in die figure-protocol-21 Richtung, bis die LPT befindet sich unterhalb der Oberseite des Grabens Ridge (siehe Abbildung 5 A). Schließlich verwenden Sie den Potentiometer Schieberegler auf der figure-protocol-22-Achse motor-Controller auf die vordere Oberfläche des Grabens Ridge in den Mittelpunkt zu Rücken, so dass die komplette Breite der LP zwischen den Kanten des die Trench Grat. Das Basic_Data-Programm zu beenden, indem Sie auf die ' stoppen ' Schaltfläche ".
  2. Öffnen und starten Sie das Center_LoadPoint-Programm (siehe ergänzende Codedatei). Verwendung der figure-protocol-23-Achse motor-Controller auf die Bühne zu verschieben, bis die LPT fast in Kontakt mit den richtigen Grabens Rand ist. Klicken Sie auf die " finden Rand " Schaltfläche ".
  3. , Wenn Sie aufgefordert werden, verwenden die figure-protocol-24-Achse motor-Controller auf die Bühne zu verschieben, bis die LPT fast in Kontakt mit den linken Graben Rand ist. Klicken Sie auf die " finden Rand " Taste. Warten, bis das Programm die LPT auf halbem Weg über die Graben-Spanne zu positionieren (siehe Abbildung 5 B).
    Hinweis: Nach diesem Punkt ist es wichtig nicht, passen die figure-protocol-25-Achse motor Controller als dies führt zu einer Fehlausrichtung der LPT.
  4. Öffnen Sie das Bending_Test-Programm. Legen Sie die Schrittweite 2 µm, maximale Verschiebung, 0,5 mm, 1,5 V Niederspannung Anschlag und Hochspannung Stop auf 4,5 V über die Textfelder in der Benutzeroberfläche.
    1. Wählen Sie die gewünschten Bild- und Verzeichnisse und die Ausgabe-Datei-Namen mit dem Text-Boxen in der Benutzeroberfläche. Legen Sie die ' Bilder speichern ' wechseln Sie in der Benutzeroberfläche in der oberen Position und klicken Sie auf die grüne rechteckige Taste unter Wörter ' Spannungsdifferenz ' so dass es nicht beleuchtet ist.
  5. Das Bending_Test-Programm ausführen und warten, bis der motor Controller und Kamera Schnittstellen zu initialisieren.
  6. Bewegen sich die Bühne in der figure-protocol-26 Richtung mit dem Potentiometer Schieberegler auf dem Motorregler, bis das Spicule in das Mikroskop ist ' s Sichtfeld. Verwenden Sie den Schieberegler Potentiometer auf der figure-protocol-27 -Achse motor-Controller auf die Bühne bewegen, bis das Spicule unter den LPT.
    1. Die Mikroskop-Fokus-Regler so einstellen, dass das Spicule in dem Benutzer im Fokus ist (siehe Abbildung 4 C). Die FODS Mikrometer gegen den Uhrzeigersinn drehen, bis die Ausgangsspannung ca. 1,8 V. ist
  7. Verwenden Sie den Schieberegler Potentiometer auf der z-Achse-Motorsteuerung, um die Bühne zu bewegen, die figure-protocol-28 Richtung, während die Ausgang Spannung Diagramm in der Benutzeroberfläche beobachtet. Bestimmen Sie die ungefähre Position, an der die LPT der Spicule Kontakte, durch eine Änderung der Spannung mit weiter Bewegung der Bühne suchen. Einfahren der Bühne ca. 50 µm.
  8. Klicken Sie " beginnen zu testen " und warten Sie, bis der Biegeversuch abgeschlossen ist und die Bühne zurückkehrt der figure-protocol-29-Achse Grundstellung.
    Hinweis: Die Bühne bewegt sich in Schritten von 2 µm (wie in Schritt 5.4 des Protokolls vorgeschrieben ist) in die figure-protocol-30 Richtung, biegen die Spicule (siehe Abbildung 5 C) bis eine von mehreren stoppen Bedingungen erfüllt ist. Die Stopp-Bedingungen sind: ein) die maximale Stufe Verschiebung von 0,5 mm erreicht wird; (b) die Spicule Pausen und das Programm erkennt einen starken Rückgang der FODS Ausgangsspannung; oder c) die hohe Spannung von 4,5 V erreicht ist. Fürs Zustand (a) wird der Benutzer aufgefordert werden, wenn sie möchten, beenden Sie den Test oder den vorherigen Wert überschreiben. Wenn ' überschreiben ' wird ausgewählt, wird der Benutzer haben die Möglichkeit, erhöhen die Bühne Hubraum Grenze oder kehren die Richtung der Bühne Verschiebung Schritt um weiterhin Daten sammeln, wie die Spicule entladen wird. Die Bühne Verschiebung Richtung inkrementieren kann auch verändert werden, indem Sie auf die " umkehren laden " Taste jederzeit während des Tests. Die Biegung Test-Ausgabe-Datei hat die gleiche Struktur wie die Spannung-Verschiebung Interpolation Ausgabedatei erzeugt im Schritt 4.6 des Protokolls. Ist eine getrennt Registerkartenliste der Mittelwert von 100 FODS Ausgang Spannung Lesungen und die Standardabweichung der die Lesungen zusammen mit der figure-protocol-31-Bühne Achslage in jeder Phase Hubraum Inkrement. Die Vertreter Ergebnisse Abschnitt wird beschrieben, wie diese Datendatei zusammen mit der Spannung-Verschiebung-Interpolation-Datei verwendet wird, um die Freischwinger Verschiebungen und Bühne Verschiebungen während der Biegeversuch zu berechnen. Anschließend die Cantilever-Steifigkeit wird verwendet, um der Krafteinwirkung durch die LPT auf das Spicule zu berechnen.
  9. Nachdem der Test abgeschlossen ist, drehen Sie FODS Mikrometer gegen den Uhrzeigersinn, bis die FODS mindestens 5 mm aus dem LPT-Spiegel ist. Dann entfernen Sie vorsichtig die Bühne von der Bühne Grundplatte.

figure-protocol-32
Abbildung 5: Verfahren zur Ausrichtung der LPT mit dem Graben ' s Mitte Spannweite und Durchführung einer Biegung Test (A) die LPT befindet sich unterhalb der oberen Fläche des Grabens Grat am Ende von Schritt 5.1 des Protokolls, aber es ist nicht noch in der Mitte Spannweite positioniert. (B) die Position des LPT nach Zentrierung der beschriebenen Schritte 5.2 und 5.3 des Protokolls sind abgeschlossen. (C) eine Aufnahme von einem Spicule während der Biegeversuch. Die Verschiebung des Spicule Querschnitt unterhalb der LPT, figure-protocol-33, schematisch gekennzeichnet ist. Skalieren von Balken = 250 µm (A-C). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die grundlegendsten Ausgänge des mechanischen Tests sind die Größe der Kraft auf die Probe und die Verschiebung an der Stelle, wo die Kraft angewendet wird. Im Falle einer drei-Punkt-Biegeversuch, Ziel ist es, das Ausmaß der Kraft durch die LPT, erhalten figure-results-1 , und die Verschiebung der Querschnitt der Probe unter der LPT in der figure-results-2 Richtung,

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mehrere Schritte des Protokolls sind besonders wichtig, um sicherzustellen, dass Kräfte und Verschiebungen genau gemessen werden. Während einige dieser kritischen Schritte universell für alle drei-Punkt-Biegeversuche, sind andere einzigartig für diese mechanische Prüfeinrichtung.

In Schritt 1.2 des Protokolls der LP-Spiegel ist gereinigt und überprüft auf Kratzer und im Schritt 1.6 des Protokolls ist die FODS Verstärkung eingestellt. Es ist wichtig für die Ver...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde unterstützt durch National Science Foundation [Mechanik der Werkstoffe und Strukturen Programm, Anzahl 1562656 gewähren]; und der American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" Isolationstisch mit 4" CleanTop SteckplatineTMC63-563Isolationstisch
Diffeential Screw AdjusterThorlabsDAS110Für Tisch-Nivellierplatte
1" Fahr-Mikrometerkopf mit 0,001" GraduierungThorlabs150-801MEFür Tisch-Nivellierplatte
Rechtwinklige Halterung für PT-Serie Verschiebetische, 1/4"- 20 BefestigungslöcherThorlabsPT102Für Mikroskophalterung
1" Schwalbenschwanz-Translationstisch, 1/4"-20 GewindebohrerThorlabsDT25Für Mikroskophalterung
1" Translationstisch mit 1/4"-170 Einstellschraube, 1/4"-20 GewindebohrerThorlabsPT1BFür Mikroskophalterung
12" Länge, Schwalbenschwanz Optische SchieneEdmund Optics54-401Für Mikroskophalterung
2,5" Breite, SchwalbenschwanzträgerEdmund Optics54-404Für Mikroskophalterung
0,5" Breite, SchwalbenschwanzträgerEdmund Optics54-403Für Mikroskophalterung
InfiniTube Halterung C-Klemme mit ¼-20Edmund Optics57-788Mikroskopkomponente
Standard (ohne In-Line Attachment), InfiniTubeEdmund Optics56-125Mikroskopkomponente
Standard-Inline-Aufsatz (optimiert bei 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Mikroskopkomponente
Mitutoyo/Achrovid Objektivadapter (M26 auf M27)Edmund Optics53-787Mikroskopkomponente
5X Infinity Achrovid Mikroskop ObjektivEdmund Optics55-790Mikroskopkomponente
0,316" ID, Faseroptik-Adapter SX-6Edmund Optics38-944Mikroskop-Komponente
¼ " x 36", flexibler faseroptischer LichtleiterEdmund Optics42-347Mikroskopkomponente
115V, MI-150 faseroptische Beleuchtung mit IR-Filter und HalterungEdmund Optics55-718Mikroskopkomponente
Allied Vision Manta G-223 2/3" Farb-CMOS-KameraEdmund Optics88-452Mikroskopkomponente
Netzteil für Manta / Guppy Pro / Stingray / PikeEdmund Optik68-586Mikroskopkomponente
1/4" Verfahrweg Einachsiger TranslationstischThorlabsMS1SFODS-Mikrometer
Analog reflexionsabhängig Faseroptischer WegmesssensorPhiltecD20FODS
30V, 3A DC NetzteilAgilentU8001ANetzteil für Datenerfassung und FODS
14-Bit, 48 kS/s Kostengünstiges Multifunktions-DatenmessgerätNational InstrumentsUSB-6009Datenerfassung für FODS
Dreiachsiger motorisierter TranslationstischThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/MTranslationstisch
T-Cube DC Servomotor ControllerThorlabsTDC001Motorcontroller für Tisch
T-Cube NetzteilThorlabsTPS001Netzteil für Motorcontroller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsZum Ausführen von Software
Zum Ausführen von Software
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Polarisationslichtmikroskop
Nikon Pi Zwischenrohr mit Analyzer SliderMVIMDB45305Polarisationslichtmikroskop
Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920Polarisationsmikroskop
Netzkabel - 7'6"MVI79035Polarisationsmikroskop
Nikon P-Amh Mechanischer TischMVIMDC45000Polarisationslichtmikroskop
Nikon Lwd Achromat KondensorMVIMBL16100Polarisationsmikroskop
Nikon LV-NBD5BD-CH Manueller Quint Objektivrevolver ESDMVIMBP60125Polarisationslichtmikroskop
Nikon C-TF Trinokulartubus FMVIMBB93100Polarisationslichtmikroskop
Nikon CFI 10X Okular FN 22mm NCMVIMAK10110Polarisationslichtmikroskop
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjektivMVIMUE42100Polarisationslichtmikroskop
Venus Flower Basket SpongeDenis MarkeN/ASchwamm Skelett
3,5X Stirnband KlapplupeMcMaster Carr1490T5Verwendet für Spikulenschnitte
& Oslash; 1" Siliziumwafer, Typ P / < 100>Ted Pella16011Wird für Lastpunktspiegel verwendet
Fuss Tapered Tip WattestäbchenMcMaster Carr71035T31Wird zum Reinigen von LP-Spiegeln verwendet
Präzisionsmesser mit GummigriffMcMaster Carr35575A68Wird zum Schneiden von Nadeln
Mikroskop-Objektträger, mattiertes Ende, 75 x 25 x 1 mmTed Pella260409Wird zum Schneiden von Nadeln
verwendetZobelbürsten, #00000, 0,08 mm B x 4,0 mm LTed Pella11806Wird für die Handhabung von Spikulen
verwendet PELCO Pro Hochpräzise Pinzette, extra feine Spitzen, hervorragendes FinishTed Pella5367-5NMWird für die Handhabung von Spikulen verwendet Dual-Axis
Linear Scale MikrometerEdmund Optics58-608Wird für die Kalibrierung der Mikroskope
verwendet FLEX-A-TOP FT-38 CASESD-KunststoffbehälterFT-38-CASWird zur Aufbewahrung von Spikulen verwendet
Kunststofffläschchen Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Wird zum Nivellieren des Tisches
verwendet AnalysenwaageMettler ToledoMS105DUWird zur Massenkalibrierung von Gewichten
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National Instruments Low verwendet verwendet

References

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