Name: Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Lernen Sie ein bioinspiriertes Sediment-Sampling-Verfahren basierend auf der Kieferstruktur von Seeigeln. Diese Methode nutzt 3D-Druck und technische Analyse zur Entwicklung effizienter Prototypen für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen.

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Diese Arbeit wird unterstützt von der Multi-University Research Initiative durch das Air Force Office of Scientific Research der Vereinigten Staaten (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Die Sammlung von rosa Seeigeln wurde von den University of California Ship Funds und dem US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T.) unterstützt. Die Autoren danken den folgenden Personen: Prof. Jerry Tustaniwskyj für hilfreiche Vorschläge bei der Entwicklung des bioinspirierten Aristoteles-Laternenmusternehmers, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Abt. für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Programm für Materialwissenschaft und -technik), Prof. Robert L. Sah und Esther Cory (UCSD, Abt. für Bioingenieurwesen) und Dr. Maya deVries (Forschungsabteilung für Meeresbiologie, Scripps Institution of Oceanography). Wir danken auch den Studenten Sze Hei Siu, Jerry Ng und Ivan Torres für das Polieren von Seeigel-Zahnquerschnitten.

1. Biologische Materialwissenschaften <ol><li> Persönliche Schutzausrüstung tragen (Handschuhe, Schutzbrille und Labormantel) und befolgen Sie alle geltenden Sicherheitsverfahren für die Verwendung von Sezieren Tools. </li><li> Spülen Sie die Zange ab und Skalpell mit destilliertem Wasser für die Präparation zu verwenden. </li><li> einen gefrorenen Rosa Seeigel bei RT für 1 Stunde auftauen. Legen Sie ein taute Probe in eine Glasschale mit ausreichend Platz, um der Lage sein, die Seeigel und Schneidwerkzeuge zu manövrieren. Drehen Sie den Bengel den Kopf, so dass die Zahnspitzen nach oben zeigen. <ol><li> Schneiden Sie das Bindegewebe um den Umfang des Aristoteles &#39;Laterne mit dem Skalpell entfernt und sorgfältig die Laterne herausheben. Spülen Sie die Laterne weg mit destilliertem Wasser läuft. Nicht verwendete Bengel Teile in einem geeigneten Abfallbehälter geben. </li><li> Schalten Sie den Aristoteles Laterne wieder über, so dass die Spitzen der Zähne Gesicht nach unten. Suchen Sie den plumula Ende jedes Zahns (gegenüber der Spitze) nach oben und die Zange verwenden, um Pflegevollständig herausrutschen einzelne Zähne von der Laterne. </li></ol></li><li> Bereiten Sie Epoxy die Zähne Topf. Man wiegt 5 g Harz und fügen 1,15 g Härter (zB Harz 100 Teile bis 23 Teile Härter nach Gewicht) in einem flachen Einweg - Plastikschale. Mischen Sie Inhalte zusammen langsam, ohne Blasen zu bilden. Hinweis: Nicht Überbleibsel gemischte Epoxid in einem Behälter mit unzureichender Belichtung in die Atmosphäre abgegeben. Der Härtungsprozess ist exotherm und in der Nähe entflammbare Stoffe entzünden können. Halten Sie alle übrig gebliebenen gemischt Epoxy in einem gut belüfteten Abzugshaube weg von brennbaren Gegenständen. <ol><li> Schmieren Sie mit einem 2,5-Dram Kunststoffrohr (22 mm Innendurchmesser, 39 mm Länge) mit einem Finger aufgebracht Vaseline mit und wischen Sie überschüssiges mit einem Gewebe. Füllen Sie das Rohr zur Hälfte mit gemischten Epoxid auf. </li><li> Verwenden Sie die Zange einen Zahn zu holen und ihn vorsichtig mit der gekrümmten konkaven Seite nach oben in das Epoxid versenken. Lassen Sie die Epoxyhärtung bei RT für 24 Stunden. Hinweis: Verhindern, dass die Zahnspitze des Abgleitens zu berührender Kunststoffrohrwand wie die Epoxy härtet da dies die Spitze erschweren Polieren. </li></ol></li><li> Legen Sie das Kunststoffrohr mit gehärteten Epoxid in einem Schraubstock. Ziehen Sie den Schraubstock langsam, bis ein Riss in das Kunststoffrohr hergestellt ist. Rest Kunststoff aus der Epoxy-Oberfläche abzulösen. <ol><li> Verwenden Sie mit schneidender Zahn das Epoxidharz um nach unten auf einen kleineren Block (1 cm 3) zu schneiden sah. </li></ol></li><li> Bereiten Sie einen sauberen Bereich zum Polieren und einen einheitlichen Arbeitsstation mit einem harten Kunststoff-Brett. Füllen Sie eine Sprühflasche mit destilliertem Wasser. <ol><li> Beginnen Sie mit der niedrigsten Schleifpapier erhältlich (zB 120) und drücken Sie eine kleine Menge Wasser aus der Waschflasche auf dem Sandpapier. Mit leichtem Druck, reiben Sie die Probe in einer Rückwärts- und Vorwärtsrichtung (zB links-rechts) für 5 min. </li><li> Waschen Sie die Oberfläche der Probe über ein Waschbecken ab und wischen Sie mit einem partikelfreien Gewebe ab. Entfernen Sie alle übrig gebliebenen Schmirgelpapier Körnung mit Druckluft für 15 Sekunden. </li><li> Verwenden Sie immer höheren Schleifpapier (zB 600 und 2400) zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. Mit leichtem Druck, reiben Richtung die Probe in einem hin und her senkrecht zur vorherigen Polierschritt (zB bis-unten, links-rechts). Hinweis: Verwenden Sie bei 20 - facher Vergrößerung eines Lichtmikroskops senkrecht Kratzspuren mit jeder Körnung Ebene (zB 120, 600, 2400) schneiden zu sehen. Bewegen Sie in die nächst höhere Schleifpapier, wenn Kratzspuren von der vorherigen Körnung Ebene verschwinden. </li><li> Bereiten Sie eine Sprühflasche mit 3 um Diamantpolieren Suspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie ein Poliertuch für Diamantsuspensionen zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. </li><li> Bereiten Sie eine Spritzflasche mit 0,5 um Aluminiumoxid Poliersuspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie eine microcloth Polierfläche zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. Hinweis: Feine Kratzer von Protokoll 1.6.4 Schritte und 1.6.5 wird nicht Visible bei 20-facher Vergrößerung. Für diese Protokollschritte, Politur für 5 Minuten in einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung alle vorherigen Kratzer zu entfernen. </li><li> Reinigen Sie die polierte Oberfläche mit destilliertem Wasser und Verwendung partikelfreies Gewebe mit Druckluft sorgfältig trocken. Wickeln Sie mit partikelfreiem Gewebe zu hochglänzend halten. Hinweis: Trocknen Sie alle Polieren von Oberflächen Gesicht nach unten auf große partikelfreie Gewebe. Speichern in einer Kunststoffhülse, um Staubteilchen Absetzen auf der Oberfläche zwischen Polierzeiten vermeiden. </li></ol></li><li> Charakterisieren Sie die Seeigel Zahn Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Verwenden eines Sputter-Beschichtungsvorrichtung für 10 sec auf die polierte Zahnoberfläche für eine Beschichtungsdicke von ~ 20 nm Iridium mit einer Abscheidungsstrom von 85 mA zu sputtern. <ol><li> Erhalten mikroskopische Aufnahme Bilder bei 250X - 4,000X Vergrößerung eine REM. Anmerkung: Mit 5 kV in der rasterelektronen (SE) Modus und 15 kV in dem rückgestreuten Elektronen (BSE) Modus. Verwenden BSE-Modus Calcit fib zu identifiziereners mit Mg angereicherten polykristalline Matrix eingestreut. </li></ol></li><li> Führen Sie Mikro-Computertomographie (μ-CT) eines ganzen rosa Seeigel und ein frisch Aristoteles Laterne seziert. Positionieren Sie jedes aufgetaute Probe innerhalb des geschlossenen Kammerbehälter mit einem angefeuchteten Gewebe eine feuchte Umgebung während des Scanvorgangs zur Verfügung zu stellen. <ol><li> Scannen Sie den ganzen Bengel und der Aristoteles Laterne von μ-CT mit einer isotropen Voxelgröße von 36,00 &amp; mgr; m und 9,06 &amp; mgr; m auf. Tragen Sie ein elektrisches Potential von 100 kV und 70 kV mit einem Strom von 100 mA und 141 mA, für die ganze Bengel und der Aristoteles Laterne jeweils ein 1,0 mm Aluminiumfilter für beide verwenden. </li><li> Gelten bei der Bildrekonstruktion eine Strahlhärtungs-Korrekturalgorithmus zu berücksichtigen Strahlaufhärtung Artefakte, die von dem μ-CT-Röntgenquelle führen Emittieren von Röntgenstrahlen von mehreren Energien Protokoll des Herstellers verwendet wird. </li></ol></li><li> Verwenden Sie Imaging-Software zu verfeinern image Segmentierung und erwerben ein Dreiecksnetz Modell für die Laterne Struktur des Aristoteles. <ol><li> Laden und Vorschau Aristoteles &#39;Laterne Bilddaten aus dem μ-CT-Scan. Passen Sie die Voxelgröße (9,06 &amp; mgr; m) zu den Werten aus der Mikro-CT-Scan. </li><li> Verwenden Sie Funktion ein Volume-Rendering des Aristoteles Laterne im 3D-Raum zu visualisieren. Stellen Sie die 2D-orthogonalen Scheibe mit der Bounding-Box-Modul und stellen Sie den Grenzwert / Farbe mit dem Volume-Rendering-Modul. </li><li> Machen Maskensegmente für die Region von Interesse (zB Seeigel Zahn) mit der Segmentierung Editor. Wählen Sie XY, YZ und XZ-Ebene und die 3D-isometrischen Ansicht. Verwenden Sie den Zauberstab (schwarzer Pfeil) zwischen einfachen Strukturen (Zahn vs. Pyramide) in der aristotelischen Laterne zu unterscheiden. </li><li> Rekonstruieren der Modelloberfläche aus den extrahierten Maskensegmente. Wählen Sie die Oberflächenerzeugungsmodul und anzuwenden. Deaktivieren Sie die Lautstärke-Einstellungen Rendern die sichtbare Oberfläche verschwinden zu lassen. Ergänzen Sie dieOberflächen-View-Modul die Oberfläche Ergebnis anzuzeigen. </li><li> Vereinfachung der Modelloberfläche durch die Anzahl von Flächen auf &lt;18.000 zu reduzieren. </li><li> Bearbeiten einzelner Dreiecksnetz auf der Modelloberfläche nach Bedarf. Speichern Sie das Modell als Stereolithografie (STL-Datei) für den Export mit computergestützte Konstruktion (CAD) Modellierungssoftware zu verwenden. </li></ol></li></ol> 2. Bioinspirierte Entwurf <ol><li> Verwenden Sie die Aristoteles Laterne aus der Mikro-CT-Scan als Referenz ein bioinspirierter Design mit CAD-Modellierungs-Software zu machen. Hinweis: Die bioinspirierter Design hat fünf gekrümmte Zähne mit einer Höhe von 6 cm und 8 cm Durchmesser für die geschlossene Laterne. Es ist ~ 5x von der Größe der natürlichen Aristoteles Laterne skaliert. </li><li> Speichern Sie die STL-Datei Teile zu einem Flash-Laufwerk und laden Sie die Dateien auf einem Fused Deposition Modelling (FDM) 3D-Drucker. <ol><li> Last Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff und Unterstützung Kunststoff-Patronen in die entsprechenden Schlitze des 3D-pRINTER. </li><li> Legen Sie die Modellierung Basis auf der Z-Plattform und auszurichten Registerkarten mit Schlitzen an der Metallschale. </li><li> Öffnen Sie jede der STL-Datei Teile und folgen Sie den Bildschirm Schritte alle Laterne Teile gleichzeitig zu drucken. Hinweis: Laterne Teile müssen im Rahmen der Gebäudehülle (25 x 25 x 30 cm 3) für den 3D - Drucker. Alle fünf Zähne sind auf der Modellierung Basis angeordnet und gleichzeitig mit der Zahnspitze nach oben gedruckt. Die Build - Rate beträgt 16 cm 3 pro Stunde und die gesamte Aufbauzeit beträgt ca. 8 Stunden. </li><li> Lassen Sie die Modellierung Base aus den Registerkarten, wenn alle Dateiteile gedruckt werden, und schieben Sie die Basis aus dem 3D-Drucker an den Fachführungen. </li><li> Verwenden Sie eine Metallspachtel alle Teile aus der Basis zu hebeln und einem Metall-Datei keine zusätzlichen Kunststoff an den Teilen befestigt zu zermürben. </li><li> Legen Sie die bedruckten Teile in eine beheizte Basis Bad, bis die Unterstützung Kunststoff löst sich auf. </li></ol></li><li> Befestigen Sie jeden Zahn an einem Gelenkarm mit einem link Stange und zwei E-Halteringen auf beiden Seiten. Hinweis: Siehe 6 für die Montage des bioinspirierter Aristoteles &#39;Laterne auf Figur. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> Verwenden Sie die CAD-Datei für den bioinspirierter Zahn eine Finite-Elemente-Modellierung (FEM) Spannungsanalyse-Test zu tun. <ol><li> Öffnen Sie die Datei (xx.sldprt) weitere technische Analyse zu tun. Oberhalb des &quot;Office Products&quot;, wählen Sie die &quot;Solidworks Simulation&quot; klicken. </li><li> Oberhalb der &quot;Simulation&quot;, wählen Sie die &quot;Study Advisor&quot; Taste und dann die Dropdown-Option &quot;Neue Studie&quot;. </li><li> Wählen Sie die Art von Simulationstests ausgeführt werden durch &quot;Static&quot; wählen. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Leuchten&quot; und wählen Sie &quot;Fixed Geometrie&quot;. </li><li> Klicken Sie auf den Innenseiten Befestigungen zu den Befestigungslöchern hinzuzufügen, wo Stifte gehen. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Externe Lasten&quot; und select &quot;Kraft&quot;. </li><li> Klicken Sie auf den Zahnschleifspitze Flächen 45 N Kraft auf die Kanten anzuwenden. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Externe Lasten&quot; und wählen Sie &quot;Gravity&quot;. </li><li> Geben Sie &quot;Top Plane&quot; für die Schwerkraft auf die Ebene angewendet normal. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Mesh&quot; und wählen Sie &quot;Netz erstellen&quot;. </li><li> Bewegen Sie den Maßstab für &quot;Netzdichte&quot; den ganzen Weg nach rechts für &quot;Fine&quot;. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Static&quot; und wählen Sie &quot;Ausführen&quot;, um den Test auszuführen. Hinweis: Die Farbskala bar für Bereiche mit dem höchsten Beanspruchung und dem &quot;Yield Strength&quot;. </li></ol></li><li> Vergleichen Spannungsanalyse Testergebnisse für die bioinspirierter Zahn mit und ohne Kiel. </li></ol>

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</ol>

Wir haben nichts offenzulegen.

Seeigel benutzen die aristotelische Laterne (Abbildung 1A) für eine Vielzahl von Funktionen (Fütterung, langweilig, Schwenken, etc.). Der Fossilienbestand zeigt , dass die Laterne in Form und Funktion von den primitivsten cidaroid Typ der camarodont Art der modernen Seeigel 14 entwickelt hat. Cidaroid Laternen haben längsgeriffelte Zähne (1B, oben) und nicht getrennten Muskelansatz an seiner Pyramidenstruktur. Dies begrenzt ihre Auf- und Abbewegung und beraubt sie de...

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 modernen Materialien, um gemeinsame Probleme zu lösen gelernt. Beispiele dafür sind superhydrophoben von Lotus inspirierte Oberflächen Blätter 4-6, Klebeflächen durch die Füße von Geckos inspiriert und Insekten 7,8, zähen Keramik durch die Perlmutter von Abalone inspiriert 9-11 und Biopsie durch das Mundstück des Seeigels inspiriert Harvester, auch kenntn als Aristoteles &#39;Laterne 12,13. Seeigel sind wirbellose Tiere mit Stacheln bedeckt, deren Lebensraum am häufigsten aus den felsigen Betten auf dem Meeresboden. Der Körper in der größten Seeigel-Arten (ein Test genannt) mehr als 18 cm im Durchmesser; Testgröße in rosa Seeigel (Strongylocentrotus fragilis) in dieser Studie untersuchten kann bis zu 10 cm Durchmesser wachsen. Die Laterne des Aristoteles besteht aus fünf überwiegend Zähne Calciumcarbonat durch Pyramidenstrukturen unterstützt mineralisiertem Gewebe und angeordnet in einer kuppelartigen Formation , bestehend aus , die alle , aber die distalen Schleif Spitzen der Zähne (Abbildung 1A) umschließen. Die Muskelstruktur der Backen ist in der Lage effiziente Kauen und Kratzen auch gegen harte Ozean Felsen und Korallen. Wenn die Backen geöffnet ragen die Zähne nach außen, und wenn die Backen zu schließen, ziehen sich die Zähne nach innen in einer einzigen fließenden Bewegung. Vergleich zwischen primitive ( siehe oben) und modern (unten) Seeigel Zahn Querschnitte (Abbildung 1B) zeigt an, dass ein keeled Zahn entwickelte sich um den Zahn zu stärken , wenn sie gegen harte Substrate Schleifen. Jeder einzelne Zahn hat eine leicht konvexe Krümmung und einen T-förmigen Morphologie in der Querebene (normal zur Wachstumsrichtung) aufgrund der in Längsrichtung angebracht Kiel (1C, D). Bioinspiration beginnt mit der Beobachtung von interessanten Naturphänomene, wie die effiziente Kaubewegung des Aristoteles Laterne in Seeigel. Diese natürliche Struktur Aristoteles zunächst gefesselt, weil sie ihn an ein Horn Laterne erinnert mit den Scheiben Horn weggelassen. Mehr als zwei Jahrtausende später wurde Scarpa durch die Komplexität der Laterne des Aristoteles fasziniert , dass er und später Trogu die natürliche Kaubewegung nur mit Papier und Gummibänder (2A) 15,16 nachgeahmt. In ähnlicher Weise wurde Jelinek von der c BioinspirierteBewegung der Laterne des Aristoteles zu behauen und entwickelte eine bessere Biopsie Mähdrescher , die sicher Tumorgewebe ohne Verbreitung von Krebszellen (2B, C) ​​12,13 isolieren konnte. In diesem Fall wurde bioinspirierter Design einer biomedizinischen Vorrichtung, um verwendet, die einen bestimmten Bedarf für eine gewünschte Anwendung passen. Das Design hier beschriebene Protokoll gilt für ein Sedimentproben Bioinspirierte von Seeigel. Durch die biologische Wissenschaft Materialien wird die natürliche Struktur des Aristoteles Laterne aus. Bioinspirierte Design identifiziert potenzielle Anwendungen, bei denen die natürlichen Mechanismen können durch den Einsatz von modernen Materialien und Herstellungstechniken verbessert werden. Das endgültige Design wird durch das Prisma der bioexploration erneut untersucht, um zu verstehen, wie die natürliche Zahnstruktur entwickelt (Abbildung 3). Der letzte Schritt bioexploration, vorgeschlagen von Porter 17,18 nutzt Methoden technische Analyse bis explore und biologische Phänomene zu erklären. Alle wichtigen Schritte des Bioinspiration Verfahren werden als Beispiel dargestellt für die Nutzbarmachung Technologie, vorge genehmigt durch die Natur, die für die Lösung modernen Probleme verwendet werden können. Unser Protokoll, motiviert durch vorherige Bioinspiration Verfahren vorgestellt für spezifische Anwendungen von Arzt 7 wird gezielt für Biologen, Ingenieure und alle anderen , die von der Natur inspiriert ist.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Schleifpapier zum Polieren</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Poliertuch für 3 &#956; m Pendelleuchte</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polnische Pendelleuchte (3&nbsp; &#956; m)</td></tr><tr><td>MIKROGEWEBE FÜR 8 ZOLL RÄDER PSA</td><td>Bühler</td><td>407218</td><td>Polnisches Tuch für 50 Nm Federung</td></tr><tr><td>MASTERPREP FEDERUNG, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Polnische Federung (50&nbsp; nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 Micro-CT-Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT-Scanner</td></tr><tr><td>Amira Software</td><td>FEI Visualization Sciences</td><td></td><td>Group Software für die 3D-Manipulation von Micro-CT-Scans</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM für die Charakterisierung von polierten Zahnquerschnitten</td></tr><tr><td>SolidWorks Design-Software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Designsoftware für CAD-Zeichnungen bioinspirierte Geräte</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulationssoftware</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Simulationssoftware für den Belastungstest von bioinspirierten CAD-Zeichnungen</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D-Drucker für die Herstellung von bioinspirierten Geräten aus CAD-Zeichnung</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D-Drucker Kunststoff</td></tr></tbody></table>

ein protokoll für bioinspirierte entwurf: ein boden sampler basierend auf seeigel jaws

A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

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.

Bioinspirierte Design der Laterne Probenahmevorrichtung des Aristoteles hängt stark von der Qualität der Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Nicht-invasive Techniken wie μ-CT sind hilfreich für die ganze Laterne und einzelne Zähne Analyse anwendungsspezifische Erweiterungen für die biologisch inspirierte Design (Abbildung 4) anzuwenden. Unterdessen kann der Zahn Mikrostruktur über Sekundärelektronen untersucht werden , und Rückstreuelektronenmikroskopische Aufnahmen d...

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.

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

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

Das Ziel dieses Protokolls ist es, die natürliche Struktur des Seeigelfressgeräts, der Aristoteles-Laterne, zu untersuchen, um mithilfe einer ingenieurwissenschaftlichen Analyse einen Prototyp für die Sedimentprobenahme zu entwickeln und die Anwendung biologischer Merkmale in biomimetischen Konstruktionen zu testen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der biomimetischen Konstruktion zu beantworten. Insbesondere: Warum hat sich bei Seeigeln eine gekielte Zahnstruktur entwickelt, und inwiefern könnte sie für die Sedimentprobenahme nützlich sein?Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen allgemeinen Rahmen für bio-inspirierte Untersuchungen verschiedener natürlicher Strukturen bietet. Zu anderen solchen Strukturen gehören der Schwanz des Seepferdchens, die Scutes des Kugelfischs und die Stacheln des Stachelfischs. Die technischen Auswirkungen bedeuten, dass die Verbesserung eine proprietäre Oberflächenexploration darstellt, da Mineralfelder mit Bio-Spargesteinsprobenahmegeräten ausgestattet werden können, die effizient kleine Proben sammeln. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da die Ziele für jeden biologisch inspirierten Protokoll je nach der untersuchten natürlichen Struktur variieren können. Nach dem Auftauen des Seeigels richten Sie ihn zur Sektion so ein, dass die Zähnenspitzen nach oben zeigen. Schneiden Sie dann das Bindegewebe entlang des Randes der Laterne des Aristoteles vorsichtig weg.Anschließend die Laterne vorsichtig herausnehmen und mit fließendem destilliertem Wasser abspülen. Mit einer Pinzette das verbliebene Gewebe von der Außenseite entfernen und die Laterne vorsichtig öffnen, um die Zähne zu entnehmen. Alternativ zerfällt eine getrocknete Laterne, die erneut mit Wasser abgespült wird, und ermöglicht so einen einfacheren Zugang zu den Zähnen.Nun nehmen Sie einen Zahn auf und tauchen ihn vorsichtig in ein Gefäß mit frisch zubereitetem Epoxidharz ein. Positionieren Sie die gewölbte konkave Seite nach oben, und stellen Sie sicher, dass der Zahn die Gefäßwand nicht berührt. Anschließend lassen Sie das Epoxidharz 24 Stunden bei Raumtemperatur aushärten.Am nächsten Tag verwenden Sie eine Dünnschliffsäge, um das Epoxidharz um den Zahn herum bis auf etwa einen Kubikzentimeter zu entfernen. Danach reiben Sie die Probe mit einem Stück grobem Schleifpapier der Körnung 125 oder höher und leichtem Druck fünf Minuten lang in eine Richtung. Wechseln Sie dann schrittweise zu feineren Schleifpapieren, bis zur Körnung 2400. Stellen Sie für jede Schleifpapierkorngröße sicher, dass die Probe um 90 Grad gedreht wird. Verwenden Sie bei Bedarf ein Mikroskop, um zu überprüfen, dass das Reiben für jede Schleifpapierkorngröße stets in dieselbe Richtung erfolgt. Befeuchten Sie nach dem Schleifen ein Mikrotuch mit einem 50 Prozent (Volumenanteil) enthaltenden halb-mikronigen Aluminiumoxid-Poliermittel in Wasser.Reiben Sie die Probe anschließend fünf Minuten lang hin und her. Reinigen Sie die Probe nach dem Polieren mit partikelfreiem Tissuepapier und verpacken Sie sie zur Aufbewahrung in dasselben Papier. Charakterisieren Sie danach die Mikrostruktur des Zahns mittels Rasterelektronenmikroskopie.Nach Aufbringen einer Sputter-Beschichtung Aufnahmen des Probenmaterials im Bereich von 250 bis 500x anfertigen. Danach Mikro-Computertomographie-Scans des gesamten rosa Seeigels sowie der frisch präparierten Aristoteles-Laterne durchführen. Die Proben während der Bildgebung auf ein angefeuchtetes Gewebe legen.Scannen Sie den Körper mit einer isotropen Voxelgröße von 36 Mikrometern bei 100 Kilovolt Spitzenspannung und 100 Milliampere. Scannen Sie die Laterne mit einer isotropen Voxelgröße von etwa neun Mikrometern bei 70 Kilovolt Spitzenspannung und 141 Milliampere. Verwenden Sie für beide einen Aluminiumfilter mit einer Dicke von 1,0 Millimeter.Mithilfe von Mikro-CT-Scans und CAD-Modellierung wurde ein biologisch inspiriertes Design mit fünf gekrümmten Zähnen erzeugt, die eine Höhe von sechs Zentimetern und einen Durchmesser von acht Zentimetern im geschlossenen Zustand aufweisen – das ist fünfmal größer als die natürliche Aristoteles-Laterne. Für jede Komponente des biologisch inspirierten Kiefers STL-Dateien für den 3D-Druck erstellen. Den 3D-Drucker vorbereiten, indem zuerst Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff und Kunststoffkassetten für das Stützmaterial geladen werden.Danach setzen Sie die Modellierbasis auf die Z-Plattform, indem Sie zunächst die Laschen an der Basis mit den Schlitzen in der Ablage ausrichten. Öffnen Sie nun die STL-Dateiteile und folgen Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm, um einzelne Laternenteile gleichzeitig auszurichten und zu drucken. Hier sehen Sie ein Beispiel für den 3D-Druck eines Gelenkarms.Nach dem Drucken der Dateien lösen Sie die Modellierbasis von den Laschen und schieben die Basis entlang der Führungsschienen des Fachs aus dem Drucker. Anschließend heben Sie die gedruckten Teile mit einem Metallspatel von der Basis ab. Sobald sie gelöst sind, legen Sie die gedruckten Teile in ein beheiztes Bad, bis das Stützmaterial aus Kunststoff sich aufgelöst hat.Befestigen Sie nun jeden Zahn mithilfe von Verbindungsstangen und e-förmigen Sicherungsringen auf beiden Seiten an einem Gelenkarm und montieren Sie die biomimetische Aristoteles-Laterne. Führen Sie anhand der CAD-Datei für den biomimetischen Zahn eine Spannungsanalyse mittels Finite-Elemente-Modellierung durch. Öffnen Sie zunächst die Datei.Beginnen Sie eine neue Studie und wählen Sie aus, einen statischen Test mit fester Geometrie durchzuführen. Klicken Sie anschließend auf die Schnittstellen, um Halterungen an den Befestigungslöchern hinzuzufügen, an denen die Stifte angebracht werden.Als Nächstes legen Sie die Kraft der äußeren Lasten fest. Klicken Sie auf die Stirnflächen der Zahnreibe, um eine Kraft von 45 Newton an den Kanten anzulegen. Stellen Sie nun die Schwerkraft ein.Geben Sie in der oberen Ebeneneinstellung an, dass die Schwerkraft senkrecht zur Ebene wirken soll. Erstellen Sie anschließend ein Netz auf der Konstruktionsfläche und stellen Sie die Netzfeinheit auf fein ein. Führen Sie nun den Test durch, um einen Vergleich zwischen einem Zahn mit und ohne Kiel zu erhalten.Eine farbige Skala zeigt die Bereiche mit der höchsten Spannung an. Die nichtinvasive Bildgebung des Seeigelfangs und der Aristotelischen Laterne war entscheidend für die Entwicklung eines biologisch inspirierten Designs. Eine detaillierte Analyse der Mikrostruktur des Fangs mittels REM bestätigte die strukturelle Bedeutung des magnesiumangereicherten Steinanteils an der Mahlspitze des Fangs.Platten- und Faser-Primärelemente sind im härtesten Steinbereich der zahnartigen Mahlspitze durch eine Matrix aus Sekundärelementen miteinander verbunden. Der härtere Steinanteil, der in dunklerem Grau dargestellt ist, besteht bis zu 40 Prozent aus Magnesiumatomen, die die Calciumatome ersetzen. Daher wurde die nach biologischem Vorbild konzipierte Laterne mit einer CAD-Software entworfen, dreidimensional gedruckt und zusammengebaut.Der endgültige Zweck des Designs besteht darin, Sand zu sammeln. Die Bedeutung des Kiels im Design wurde mithilfe computergestützter Spannungstests an dem CAD-Design überprüft. Bei einer aufgebrachten Kraft von 45 Newton war die maximale Spannung, die das zahnhutartige Design erfährt, etwa 16 Prozent geringer.Allerdings trägt der Kiel nur vier Prozent zur Masse des Designs bei. Bei der Anwendung eines biologisch inspirierten Designprotokolls ist es wichtig, mit einer sorgfältigen Beobachtung der natürlichen Struktur in ihrer lebenden Form zu beginnen oder nicht-invasive Charakterisierungsmethoden wie Mikro-CT und REM zu verwenden. Nach dem allgemeinen Verfahren können biologisch inspirierte Designs aus anderen natürlichen Strukturen in nützlichen Anwendungen in einer Vielzahl von Ingenieurdisziplinen umgesetzt werden.Der letzte bioexplorative Schritt, basierend auf der Arbeit von Professor Michael Porter, ist besonders wichtig, um ingenieurtechnische Analysemethoden anzuwenden, um den mechanischen Vorteil der Kielstruktur im Seeigelzahn zu quantifizieren.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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Hochdurchsatz-Mikroinjektionen von Sea Urchin Zygotes

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