Un protocolo para la Bioinspirada Diseño: Planta Sampler Sobre la base de erizo de mar Tiburón

El objetivo de este protocolo es examinar la estructura natural de la boquilla del erizo de mar, la linterna de Aristóteles, para desarrollar un prototipo de muestreo de sedimentos utilizando análisis de ingeniería para probar la aplicación de características biológicas en diseños bioinspirados. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del diseño bioinspirado. Específicamente, ¿por qué evolucionó una estructura dental con quilla en los erizos de mar y cómo podría ser útil para el muestreo de sedimentos?

La principal ventaja de esta técnica es que proporciona un marco general para las investigaciones de diseño bioinspirado de diversas estructuras naturales. Otras estructuras de este tipo incluyen la cola del caballito de mar, los escudos del pez cofre y las espinas del pez puercoespín. Las implicaciones de esto técnicamente hacen que la mejora sea una exorbitación de superficie patentada, ya que los postes minerales están equipados con muestreadores de sedimentos de bio-sparto que pueden recolectar de manera eficiente un poco de muestras.

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque los objetivos de cada protocolo bioinspirado variarán según el tipo de estructura natural examinada. Después de descongelar el erizo de mar, colócalo para la disección con las puntas de los dientes apuntando hacia arriba. Y comienza a cortar el tejido conectivo alrededor del perímetro de la linterna de Aristóteles.

Luego, levanta con cuidado la linterna y enjuágala con agua destilada corriente. Use pinzas para eliminar el tejido remanente en el exterior y abra con cuidado la linterna para extraer los dientes. Alternativamente, una linterna seca que se enjuaga nuevamente con agua se deshará para permitir un acceso más fácil a los dientes.

Ahora, toma un diente y sumérgelo con cuidado en un tubo de epoxi recién preparado. Coloque el lado cóncavo curvo hacia arriba y no permita que el diente toque la pared del tubo. Luego, deje que el epoxi se cure a temperatura ambiente durante 24 horas.

Al día siguiente, use una sierra de corte para eliminar el epoxi alrededor del diente hasta aproximadamente un centímetro cúbico. Luego, con un trozo de papel de lija grueso número 125 o superior y usando una ligera presión, frote la muestra en una dirección durante cinco minutos. Cambie progresivamente a lijas de grano cada vez más fino, hasta el número 2400.

Para cada grano de papel de lija, asegúrese de girar la muestra 90 grados. Use un microscopio según sea necesario para verificar que el frotamiento esté siempre en la misma dirección para cada grano de papel de lija. Después del lijado, humedezca un micropaño con un 50 por ciento en volumen de abrillantador de media micra en agua.

A continuación, frote la muestra con un movimiento de ida y vuelta durante cinco minutos. Después de pulir, use papel de seda sin partículas para limpiar la muestra y luego envuélvala en el mismo papel para almacenarla. A continuación, caracterice la microestructura del diente mediante microscopía electrónica de barrido.

Después de aplicar una capa de pulverización catódica, tome imágenes de micrografía de 250 a 500x de la muestra. A continuación, tome tomografías microcomputarizadas de todo el erizo de mar rosado y la linterna de Aristóteles recién diseccionada. Coloque las muestras sobre un tejido humedecido cuando esté en la cámara de imágenes.

Para el cuerpo, escanee con un tamaño de vóxel isotrópico de 36 micras a 100 kilovoltaje pico y 100 miliamperios. Para la linterna, escanee con un tamaño de vóxel isotrópico de aproximadamente nueve micras a 70 kilovoltajes máximos y 141 miliamperios. Utilice un filtro de aluminio de un punto cero milímetros para ambos.

Utilizando micro tomografías computarizadas y modelado CAD, se produjo un diseño bioinspirado con cinco dientes curvos con una altura de seis centímetros y un diámetro de ocho centímetros para la linterna cerrada, que es cinco veces más grande que la linterna natural de Aristóteles. Para cada componente de la mandíbula bioinspirada, produzca archivos STL para impresión 3D. Prepare la impresora 3D cargando primero el plástico de acrilonitrilo butadieno estireno y los cartuchos de material plástico de soporte.

A continuación, inserte la base de modelado en la plataforma z alineando primero las pestañas de la base con las ranuras de la bandeja. Ahora abra las partes del archivo STL y siga los pasos de la pantalla de visualización para orientar e imprimir partes individuales de la linterna al mismo tiempo. Aquí se muestra un ejemplo de impresión 3D de un brazo articulado.

Después de imprimir los archivos, suelte la base de modelado de las pestañas y deslice la base fuera de la impresora a lo largo de las guías de la bandeja. A continuación, utiliza una espátula metálica para separar las piezas impresas de la base. Una vez desmontadas, coloque las piezas impresas en un baño base caliente hasta que el material plástico de soporte se disuelva.

Ahora, fije cada diente a un brazo articulado con una varilla de enlace utilizando anillos de retención electrónicos a cada lado y ensamble la linterna de Aristóteles bioinspirada. Utilizando el archivo CAD del diente bioinspirado, realice una prueba de análisis de tensión de modelado de elementos finitos. Primero, abra el archivo.

Iniciar un nuevo estudio. Y elija ejecutar una prueba estática con una geometría fija. Luego, haga clic en las interfaces para agregar accesorios a los orificios de montaje donde irán los pines.

A continuación, ajuste la fuerza de las cargas externas. Haga clic en las caras de la punta de molienda de dientes para aplicar una fuerza de 45 Newton a los bordes. Ahora, establece la gravedad.

Indique en la configuración del plano superior que la fuerza de gravedad debe aplicarse normalmente al avión. A continuación, cree una malla en la superficie de diseño y establezca la densidad de la malla en fina. Ahora, ejecute la prueba para comparar entre un diente con y sin quilla.

Una escala de colores mostrará las áreas de mayor tensión. Las imágenes no invasivas del diente de erizo de mar y la linterna de Aristóteles fueron fundamentales para producir un diseño bioinspirado. El análisis detallado de la microestructura del diente mediante SEM confirmó la importancia estructural de la parte de piedra enriquecida con magnesio en la punta de molienda del diente.

Los elementos primarios de la placa y la fibra están conectados entre sí por una matriz de elementos secundarios en la región de piedra más dura de la punta de molienda de dientes. La porción de piedra más dura, que se muestra en gris más oscuro, está compuesta por hasta un 40 por ciento de átomos de magnesio que reemplazan a los átomos de calcio. Por lo tanto, la linterna bioinspirada se diseñó con software CAD, se imprimió en 3D y se ensambló.

El propósito final del diseño es recolectar arena. La importancia de la quilla en el diseño se probó mediante pruebas de estrés computarizadas en el diseño CAD. Para 45 Newton de fuerza aplicada, la tensión máxima experimentada por el diseño del diente con quilla fue aproximadamente un 16 por ciento menor.

Sin embargo, la quilla añade sólo un cuatro por ciento a la masa del diseño. Al intentar un protocolo de diseño bioinspirado, es importante comenzar con una observación cuidadosa de la estructura natural en su forma viva, o mediante el uso de métodos de caracterización no invasivos, como la micro tomografía computarizada y la SEM. Siguiendo el procedimiento general, los diseños bioinspirados de otras estructuras naturales se pueden implementar en aplicaciones útiles en una amplia gama de campos de ingeniería.

El último paso de la bioexploración, basado en el trabajo del profesor Michael Porter, es especialmente esencial para utilizar métodos de análisis de ingeniería para cuantificar la ventaja mecánica de la estructura de la quilla en el diente del erizo de mar.