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

Das Ziel dieses Protokolls ist es, die natürliche Struktur des Mundstücks des Seeigels, der Aristoteles-Laterne, zu untersuchen, um einen Prototyp für Sedimentproben zu entwickeln, der unter Verwendung technischer Analysen die Anwendung biologischer Merkmale in bioinspirierten Designs testet. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich des bioinspirierten Designs zu beantworten. Konkret geht es darum, warum sich bei Seeigeln eine gekielte Zahnstruktur entwickelt hat und wie sie für Sedimentproben nützlich sein könnte.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen allgemeinen Rahmen für bioinspirierte Designuntersuchungen verschiedener natürlicher Strukturen bietet. Andere solche Strukturen sind der Schwanz des Seepferdchens, die Schuppen des Kofferfisches und die Stacheln des Stachelschweins. Die technischen Implikationen machen die Veredelung zu einer proprietären Oberflächenexpoloration, da die Mineralpole mit Bio-Spar-Sedimentsammlern ausgestattet sind, um effizient kleine Proben zu sammeln.

Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da die Ziele für jedes bioinspirierte Protokoll je nach Art der untersuchten natürlichen Struktur variieren. Nachdem Sie den Seeigel aufgetaut haben, legen Sie ihn mit den Zahnspitzen nach oben zum Sezieren bereit. Und fangen Sie an, das Bindegewebe um den Umfang der Aristoteles-Laterne herum abzuschneiden.

Heben Sie dann die Laterne vorsichtig heraus und spülen Sie sie mit fließendem destilliertem Wasser ab. Verwenden Sie eine Pinzette, um Gewebereste an der Außenseite zu entfernen, und öffnen Sie vorsichtig die Laterne, um die Zähne zu ziehen. Alternativ fällt eine getrocknete Laterne, die wieder mit Wasser abgespült wird, auseinander, um einen leichteren Zugang zu den Zähnen zu ermöglichen.

Nehmen Sie nun einen Zahn und tauchen Sie ihn vorsichtig in eine Tube mit frisch zubereitetem Epoxidharz. Positionieren Sie die gebogene konkave Seite nach oben und lassen Sie den Zahn nicht die Rohrwand berühren. Lassen Sie das Epoxidharz dann 24 Stunden lang bei Raumtemperatur aushärten.

Verwenden Sie am nächsten Tag eine Trennsäge, um das Epoxidharz um den Zahn herum bis auf etwa einen Kubikzentimeter zu entfernen. Reiben Sie dann die Probe mit einem Stück grobem Schleifpapier mit der Nummer 125 oder höher und mit leichtem Druck fünf Minuten lang in eine Richtung. Wechseln Sie nach und nach zu immer feineren Schleifpapieren, bis zur Nummer 2400.

Achten Sie bei jeder Schleifpapierkörnung darauf, die Probe um 90 Grad zu drehen. Verwenden Sie bei Bedarf ein Mikroskop, um sicherzustellen, dass die Reibung für jede Schleifpapierkörnung immer in die gleiche Richtung erfolgt. Befeuchten Sie nach dem Schleifen ein Mikrotuch mit einer 50 Volumenprozent halben Mikron Aluminina-Politur in Wasser.

Reiben Sie dann die Probe fünf Minuten lang in einer Hin- und Herbewegung. Verwenden Sie nach dem Polieren partikelfreies Seidenpapier, um die Probe zu reinigen, und wickeln Sie sie dann zur Aufbewahrung in dasselbe Papier ein. Als nächstes charakterisieren Sie die Mikrostruktur des Zahns mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie.

Machen Sie nach dem Auftragen einer Sputterschicht 250- bis 500-fache Mikroskopaufnahmen der Probe. Als nächstes machen Sie Mikrocomputertomographie-Scans des ganzen rosa Seeigels und der frisch sezierten Laterne von Aristoteles. Legen Sie die Proben in der Bildgebungskammer auf ein angefeuchtetes Gewebe.

Für den Körper scannen Sie mit einer isotropen Voxelgröße von 36 Mikrometern bei 100 Spitzenkilovoltage und 100 Milliampere. Für die Laterne scannen Sie mit einer isotropen Voxelgröße von etwa neun Mikrometern bei 70 Spitzenkilospannung und 141 Milliampere. Verwenden Sie für beide einen Ein-Punkt-Null-Millimeter-Aluminiumfilter.

Mittels Mikro-CT-Scans und CAD-Modellierung wurde ein bioinspiriertes Design mit fünf gebogenen Zähnen mit einer Höhe von sechs Zentimetern und einem Durchmesser von acht Zentimetern für die geschlossene Laterne erstellt, die fünfmal größer ist als die natürliche Laterne des Aristoteles. Für jede Komponente des bioinspirierten Kiefers erstellen Sie STL-Dateien für den 3D-Druck. Bereiten Sie den 3D-Drucker vor, indem Sie zuerst Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff einlegen und Kunststoffpatronen unterstützen.

Setzen Sie dann die Modellierbasis auf die z-Plattform ein, indem Sie zuerst die Laschen auf der Basis mit den Schlitzen in der Ablage ausrichten. Öffnen Sie nun die STL-Dateiteile und befolgen Sie die Schritte auf dem Bildschirm, um einzelne Laternenteile gleichzeitig auszurichten und zu drucken. Hier sehen Sie ein Beispiel für den 3D-Druck eines Gelenkarms.

Lösen Sie nach dem Drucken der Dateien die Modellierbasis von den Laschen und schieben Sie die Basis entlang der Fachführungen aus dem Drucker. Hebeln Sie dann mit einem Metallspatel die gedruckten Teile von der Basis ab. Legen Sie die gedruckten Teile nach dem Lösen in ein beheiztes Grundbad, bis sich das Trägerkunststoffmaterial aufgelöst hat.

Befestigen Sie nun jeden Zahn mit einer Verbindungsstange an einem Gelenkarm mit E-Sicherungsringen auf beiden Seiten und bauen Sie die bioinspirierte Aristoteles-Laterne zusammen. Führen Sie unter Verwendung der CAD-Datei für den bioinspirierten Zahn einen Finite-Elemente-Modellierungs-Stressanalysetest durch. Öffnen Sie zunächst die Datei.

Starten Sie eine neue Studie. Und wählen Sie aus, ob Sie einen statischen Test mit einer festen Geometrie durchführen möchten. Klicken Sie dann auf die Schnittstellen, um den Befestigungslöchern, an denen die Stifte angebracht werden, Vorrichtungen hinzuzufügen.

Stellen Sie als Nächstes die Kraft der externen Lasten ein. Klicken Sie auf die Flächen der Zahnschleifspitze, um eine Kraft von 45 Newton auf die Kanten auszuüben. Stellen Sie nun die Schwerkraft ein.

Geben Sie in der Einstellung für die obere Ebene an, dass die Schwerkraft normal auf die Ebene angewendet werden soll. Erstellen Sie als Nächstes ein Netz auf der Entwurfsoberfläche, und legen Sie die Netzdichte auf fein fest. Führen Sie nun den Test durch, um einen Zahn mit und ohne Kiel zu vergleichen.

Eine farbige Skala zeigt die Bereiche mit der höchsten Beanspruchung. Die nicht-invasive Bildgebung des Zahns des Seeigels und der Laterne des Aristoteles war maßgeblich an der Erstellung eines bioinspirierten Designs beteiligt. Eine detaillierte Analyse der Mikrostruktur des Zahns mittels REM bestätigte die strukturelle Bedeutung des mit Magnesium angereicherten Steinanteils in der Zahnschleifspitze.

Platten- und Faserprimärelemente werden durch eine Matrix aus Sekundärelementen im härtesten Steinbereich der Zahnschleifspitze miteinander verbunden. Der härtere Steinanteil, der in dunklerem Grau dargestellt ist, besteht zu bis zu 40 Prozent aus Magnesiumatomen, die die Kalziumatome ersetzen. So wurde die bioinspirierte Laterne mit CAD-Software entworfen, 3D-gedruckt und zusammengebaut.

Der ultimative Zweck des Designs besteht darin, Sand zu sammeln. Die Bedeutung des Kiels in der Konstruktion wurde anhand von computergestützten Belastungstests an der CAD-Konstruktion getestet. Bei einer aufgewendeten Kraft von 45 Newton war die maximale Belastung des Kielzahndesigns um etwa 16 Prozent geringer.

Allerdings trägt der Kiel nur vier Prozent zur Masse der Konstruktion bei. Wenn Sie ein bioinspiriertes Designprotokoll versuchen, ist es wichtig, mit einer sorgfältigen Beobachtung der natürlichen Struktur in ihrer lebenden Form oder durch den Einsatz nicht-invasiver Charakterisierungsmethoden wie Mikro-CT und REM zu beginnen. Nach dem allgemeinen Verfahren können bioinspirierte Designs aus anderen natürlichen Strukturen in nützlichen Anwendungen in einer Vielzahl von technischen Bereichen implementiert werden.

Der letzte Bioexplorationsschritt, der auf der Arbeit von Professor Michael Porter basiert, ist besonders wichtig für den Einsatz ingenieurwissenschaftlicher Analysemethoden, um den mechanischen Vorteil der Kielstruktur im Seeigelzahn zu quantifizieren.