Name: Un protocolo para la Bioinspirada Diseño: Planta Sampler Sobre la base de erizo de mar Tiburón (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Aprende a diseñar un prototipo de muestreo de sedimentos inspirado en la linterna de Aristóteles del erizo de mar. Este método integra análisis de ingeniería y diseño bioinspirado para aplicaciones innovadoras.

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Este trabajo cuenta con el apoyo de la Iniciativa de Investigación Multiuniversitaria a través de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). La recolección de erizos de mar rosados fue apoyada por los Fondos de Barcos de la Universidad de California y el Servicio Nacional de Pesca Marina de los Estados Unidos (K.N.S., J.R.A.T). Los autores agradecen a las siguientes personas: Prof. Jerry Tustaniwskyj por sus útiles sugerencias durante el desarrollo del muestreador bioinspirado de la linterna de Aristóteles, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales), Prof. Robert L. Sah y Esther Cory (UCSD, Departamento de Bioingeniería), y Dra. Maya deVries (División de Investigación de Biología Marina, Instituto Scripps de Oceanografía). También agradecemos a los estudiantes de pregrado Sze Hei Siu, Jerry Ng e Iván Torres por pulir las secciones transversales de los dientes de erizo.

1. Materiales Biológicos Ciencia <ol><li> Use equipo de protección personal (es decir, guantes, gafas de seguridad y bata de laboratorio) y siga todos los procedimientos de seguridad aplicables para el uso de herramientas de disección. </li><li> Enjuague el fórceps y el bisturí con agua destilada a utilizar para la disección. </li><li> Descongelar un erizo de mar de color rosa congelada a temperatura ambiente durante 1 hora. Colocar una muestra descongelada en un recipiente de vidrio con espacio suficiente para poder maniobrar las herramientas de erizo y corte. Gire el erizo boca abajo para que las puntas de los dientes hacia arriba. <ol><li> Cortar el tejido conectivo que rodea el perímetro de la linterna de Aristóteles con el bisturí y con cuidado levante la linterna. Enjuague la linterna con un chorro de agua destilada. Tire las piezas de erizo sin usar en un recipiente de eliminación de residuos. </li><li> Encienda la linterna de Aristóteles otra vez para que las puntas de los dientes boca abajo. Localizar el final plumula de cada diente (opuesta a la punta) hacia arriba y utilizar las pinzas para cuidarplenamente deslice hacia fuera los dientes individuales de la linterna. </li></ol></li><li> Preparar epoxi a la olla los dientes. Pesar 5 g de resina y añadir 1,15 g de endurecedor (por ejemplo, 100 partes de resina a 23 partes en peso de endurecedor) en una bandeja de plástico desechable de poca profundidad. Mezcle los contenidos juntos lentamente sin formar burbujas. Nota: No deje restos de epoxi mezclado en un recipiente con una exposición insuficiente a la atmósfera. El proceso de curado es exotérmica y puede encender artículos inflamables cercanos. Mantener ningún tipo epoxi mezclado sobrante en una campana extractora bien ventilada y lejos de objetos inflamables. <ol><li> Lubricar un tubo de 2,5 copita de plástico (22 mm de diámetro interior, 39 mm de longitud) usando vaselina aplicada con el dedo y limpie cualquier exceso con un pañuelo de papel. Llenar hasta la mitad el tubo con epoxi mezclado. </li><li> Utilice las pinzas para recoger un diente y cuidadosamente sumergirlo en el epoxi con el lado cóncavo curvado hacia arriba. Deje secar epoxi a temperatura ambiente durante 24 horas. Nota: Evitar que la punta del diente a la deriva al tactola pared del tubo de plástico como las curas epoxi ya que esto hará que pulir la punta más difícil. </li></ol></li><li> Se coloca el tubo de plástico con epoxi curada en un tornillo de banco. Apretar el tornillo de banco lentamente hasta una fisura se hace en el tubo de plástico. Pelar plástico residual de la superficie epoxi. <ol><li> Utilice un seccionamiento para cortar el epoxi alrededor del diente abajo a un bloque más pequeño (1 cm 3). </li></ol></li><li> Preparar un área limpia para el pulido y configurar una estación de trabajo plana con una placa de plástico duro. Llenar una botella con atomizador con agua destilada. <ol><li> Comience con el papel de lija de grano más bajo disponible (por ejemplo, 120) y apretar una pequeña cantidad de agua de la botella de lavado en el papel de lija. Con una ligera presión, frotar la muestra en una dirección trasera y delantera (por ejemplo, de izquierda a derecha) durante 5 min. </li><li> Lavar la superficie de la muestra sobre un fregadero y limpie con un paño libre de partículas. Retire cualquier papel de lija sobrante con aire comprimido durante 15 segundos. </li><li> Utilice progresivamente mayor lija de grano (por ejemplo, 600 y 2.400) repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2. Con una ligera presión, frotar la muestra en un ida y vuelta dirección perpendicular a la anterior etapa de pulido (por ejemplo, arriba-abajo, izquierda-derecha). Nota: Utilice un microscopio óptico de 20 aumentos para ver las marcas de arañazos perpendiculares se intersecan con cada nivel de arena (por ejemplo, 120, 600, 2400). Pasar a la siguiente más alta cuando se lija de grano marcas de arañazos desde el nivel de grano anterior desaparecen. </li><li> Prepare una botella con atomizador con 3 micras de suspensión de pulido de diamantes en una solución 1: 1 de agua destilada. Utilice un paño para pulir suspensiones de diamante para repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2. </li><li> Preparar una botella con atomizador con 0,5-micras suspensión de alúmina de pulido en una solución 1: 1 agua destilada. Utilice una superficie de pulido microcloth repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2. Nota: las marcas de arañazos finos de protocolo de los pasos 1.6.4 y 1.6.5 no será visibLe de 20 aumentos. Para estos pasos del protocolo, esmalte durante 5 minutos en un movimiento de vaivén para eliminar todos los arañazos anteriores. </li><li> Limpiar la superficie pulida con el tejido libre de partículas y uso del agua destilada con aire comprimido para cuidado seco. Envolver con papel libre de partículas para mantener acabado de pulido espejo. Nota: secar todas las superficies de pulido boca abajo en grandes tejidos libres de partículas. Almacenar en una funda de plástico para evitar que las partículas de polvo que se asienta en la superficie entre los tiempos de pulido. </li></ol></li><li> Caracterizar el erizo de mar diente microestructura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Utilice un dispositivo de recubrimiento por pulverización catódica de pulverización catódica de iridio con una corriente de deposición de 85 mA durante 10 s sobre la superficie del diente pulido para un espesor de revestimiento de ~ 20 nm. <ol><li> Obtener imágenes de micrografía en 250X - ampliación 4,000X utilizando un SEM. Nota: El uso 5 kV en el modo de barrido electrónico (SE) y 15 kV en el modo de electrones retrodispersados ​​(BSE). Utilice el modo de EEB para identificar fib calcitaERS intercalados con matriz policristalino enriquecido con Mg. </li></ol></li><li> Realizar la tomografía computarizada micro-(μ-TC) de todo un erizo de mar de color rosa y una linterna de Aristóteles recién disecados. Coloque cada muestra se descongela en el interior del contenedor de cámara cerrada con un paño humedecido para proporcionar un ambiente humidificado durante la exploración. <ol><li> Analiza todo el erizo y la linterna de Aristóteles por μ-TC con un tamaño de vóxel isotrópico de 36,00 micras y 9,06 micras, respectivamente. Aplicar un potencial eléctrico de 100 kVp y 70 kVp con corriente de 100 mA y 141 mA, para todo el erizo y la linterna de la Aristóteles, respectivamente, utilizando un filtro de aluminio 1,0 mm para ambos. </li><li> Aplicar un algoritmo de corrección de endurecimiento del haz durante la reconstrucción de la imagen para dar cuenta de los artefactos endurecimiento del haz que resultan de la μ-TC fuente de rayos X que emiten rayos X de energías múltiples utilizando el protocolo del fabricante. </li></ol></li><li> Utilice el software de imágenes para refinar imasegmentación de GE y adquirir un modelo de malla de triángulos para la estructura de la linterna de Aristóteles. <ol><li> Cargar y vista previa de los datos de imagen de la linterna de Aristóteles de la exploración μ-TC. Que coincida con el tamaño de vóxel (9,06 m) para los valores de la exploración micro-CT. </li><li> Utilice una función de representación del volumen de visualizar la linterna de Aristóteles en el espacio 3D. Ajustar el corte ortogonal 2D con el módulo de cuadro delimitador y ajustar el valor umbral / color con el módulo de representación volumétrica. </li><li> Hacer segmentos de la máscara de la región de interés (por ejemplo, diente de erizo de mar) usando el editor de segmentación. Seleccionar XY, YZ y XZ aviones y la vista isométrica en 3D. Utilizar la varita mágica (flecha negro) para distinguir entre las estructuras simples (de los dientes frente a la pirámide) en la linterna de Aristóteles. </li><li> Reconstruir la superficie del modelo a partir de los segmentos extraídos de la máscara. Seleccione el módulo de generación de superficies y aplicar. Anule la selección de la representación del volumen Configuración tener desaparecer la superficie superior visible. Añadir laVer la superficie del módulo para mostrar el resultado de superficie. </li><li> Simplificar la superficie del modelo mediante la reducción del número de caras a &lt;18.000. </li><li> Editar malla de triángulos individual sobre la superficie del modelo, según sea necesario. Guardar el modelo como un archivo de estereolitografía (STL) para exportar a utilizar con el software de diseño (CAD) de modelado asistido por ordenador. </li></ol></li></ol> 2. Diseño Bioinspirada <ol><li> Utilice la linterna de Aristóteles del análisis de micro-CT como una referencia para hacer un diseño bioinspirado con software de modelado CAD. Nota: El diseño bioinspirado tiene cinco dientes curvos con una altura de 6 cm de diámetro y 8 cm para la linterna cerrada. Se escala hasta ~ 5 veces desde el tamaño de la linterna de Aristóteles natural. </li><li> Guardar las partes de archivos STL a una unidad flash y subir los archivos a un modelado por deposición fundida (FDM) impresora 3D. <ol><li> cartuchos de material de carga de estireno acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) de plástico y de plástico de soporte en las ranuras correspondientes de la p 3DIMPRESORA. </li><li> Inserte la base de modelado en la plataforma Z y alinee las lengüetas con las ranuras de la bandeja de metal. </li><li> Abrir cada una de las partes de archivos STL y siga los pasos de la pantalla de visualización para imprimir todas las partes de la linterna al mismo tiempo. Nota: Linterna partes deben encajar dentro de la envolvente del edificio (25 x 25 x 30 cm 3) para la impresora 3D. Todos los cinco dientes están dispuestos en la base de modelado y se imprimen simultáneamente con la punta de los dientes hacia arriba. La tasa de acumulación es de 16 cm3 por hora y el tiempo total de construcción es de aproximadamente 8 horas. </li><li> Liberar la base de modelado de las pestañas cuando se imprimen todas las partes del archivo y deslice la base de la impresora 3D a lo largo de las guías de la bandeja. </li><li> Use una espátula de metal para hacer palanca todas las partes de la base y una lima de metal para desgastar a cualquier plástico extra fijado a las partes. </li><li> Coloque las partes impresas en un baño de base se calienta hasta que se disuelva el material de soporte de plástico. </li></ol></li><li> Fijar cada diente a un brazo articulado con una link varilla y dos anillos E-retención a cada lado. Nota: Consulte la Figura 6 para el montaje de la linterna de Aristóteles bioinspirado. </li></ol> 3. prospección biológica <ol><li> Utilice el archivo de CAD para el diente bioinspirado hacer una prueba de análisis de esfuerzos de modelado de elementos finitos (FEM). <ol><li> Abra el archivo (xx.sldprt) para hacer un análisis más detallado de ingeniería. Por encima de la pestaña &quot;Productos de oficina&quot;, seleccione el botón &quot;SolidWorks Simulation&quot;. </li><li> Por encima de la pestaña de &quot;simulación&quot;, seleccione el botón de &quot;Asesor de Estudio&quot; y luego la opción desplegable &quot;Nuevo Estudio&quot;. </li><li> Seleccionar el tipo de prueba de simulación para ser ejecutado por la elección de &quot;estática&quot;. </li><li> En la lista de verificación estática, haga clic en &quot;Accesorios&quot; y seleccione &quot;geometría fija&quot;. </li><li> Haga clic en las caras internas de añadir accesorios a los agujeros de montaje, donde pasadores tope. </li><li> En la lista de verificación estática, haga clic en &quot;Cargas externas&quot; y select &quot;Fuerza&quot;. </li><li> Haga clic en el rechinamiento de los dientes de punta se enfrenta a aplicar la fuerza de 45 N a los bordes. </li><li> En la lista de verificación estática, haga clic en &quot;Cargas externas&quot; y seleccione &quot;Gravity&quot;. </li><li> Indicar &quot;Top Plane&quot; para la fuerza de la gravedad aplicada normal al plano. </li><li> En la lista de verificación estática, haga clic en &quot;malla&quot; y seleccione &quot;Crear malla&quot;. </li><li> Mueva la barra de escala para la &quot;densidad de la malla&quot; todo el camino a la derecha de &quot;Fine&quot;. </li><li> En la lista de verificación estática, haga clic en &quot;estático&quot; y seleccione &quot;Ejecutar&quot; para ejecutar la prueba. Nota: La barra de color de escala para las áreas de mayor estrés y la &quot;Fuerza Rendimiento&quot;. </li></ol></li><li> Comparación de los resultados de pruebas de análisis de estrés para el diente bioinspirado con y sin la quilla. </li></ol>

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</ol>

No tenemos nada que revelar.

Los erizos de mar utilizan la linterna de Aristóteles (Figura 1 A) para una variedad de funciones (alimentación, aburrido, pivotantes, etc.). El registro fósil indica que la lámpara ha evolucionado en forma y función del tipo más primitivo cidaroid al tipo de camarodont modernas erizos de mar 14. Linternas Cidaroid han longitudinalmente ranurada dientes (Figura 1B, parte superior) y unión no separados músculo a su estructura piramidal. Esto limita su movimiento hacia...

Los campos de la biología, ciencia de los materiales biológicos, biomateriales, la bioingeniería y la bioquímica emplean las técnicas científicas de la premier y mentes en un intento de proporcionar una comprensión más profunda del mundo natural increíble. Esta investigación ha explicado muchas de las estructuras biológicas más sorprendentes y organismos; de la dureza intrínseca de 1,2 hueso humano al gran pico del tucán 3. Sin embargo, gran parte de este conocimiento es difícil emplear de una manera que puede proporcionar un beneficio a la sociedad. Como resultado, el campo tangencial de Bioinspiration emplea las lecciones aprendidas de la naturaleza de los materiales modernos con el fin de resolver problemas comunes. Los ejemplos incluyen superficies superhydrophobic inspirados en las hojas de loto 4-6, superficies adhesivas inspiradas en los pies de lagartijas e insectos 7,8, cerámicas duras inspirados en el nácar de oreja de mar 9-11 y cosechadoras de biopsia inspirados en la boquilla del erizo de mar, también sabern como la linterna de Aristóteles 12,13. Los erizos de mar son animales invertebrados cubiertas de espinas cuyo hábitat más común consiste en los fondos rocosos en el fondo del océano. El cuerpo (denominada prueba) en la especie de erizo más grandes pueden ser más de 18 cm de diámetro; tamaño de la prueba en los erizos de mar de color rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinados en este estudio puede llegar a medir 10 cm de diámetro. La linterna de Aristóteles se compone de cinco dientes de carbonato de calcio predominantemente soportados por estructuras piramidales compuestas de tejido mineralizado y dispuestas en una formación en forma de cúpula que encierran todos, pero los consejos de molienda distales de los dientes (Figura 1A). La estructura del músculo de la mandíbula es capaz de mascar eficiente y raspar incluso contra las rocas del océano duros y corales. Cuando las mordazas abiertas, los dientes sobresalen hacia el exterior y cuando las mordazas de cierre, los dientes se retraen hacia el interior en un solo movimiento suave. Comparación entre primitive (arriba) y modernos (abajo) erizo de mar de dientes secciones transversales (Figura 1B) indica que un diente quilla evolucionó para fortalecer el diente cuando se muele contra sustratos duros. Cada diente individual tiene una curvatura ligeramente convexa y una morfología en forma de T en el plano transversal (perpendicular a la dirección de crecimiento), debido a la quilla longitudinalmente adjunto (Figura 1C, D). Bioinspiration comienza con la observación de los fenómenos naturales interesantes, como el movimiento de masticación eficiente de la linterna de Aristóteles en la erizos de mar. Esta estructura natural cautivó inicialmente Aristóteles porque le recordaba de una linterna de cuerno con los paneles de cuerno quedan fuera. Más de dos mil años más tarde, Scarpa estaba fascinado por la complejidad de la linterna de Aristóteles que él y más tarde Trogu imitaba el movimiento de masticación natural usando sólo papel y bandas de goma (Figura 2A) 15,16. Del mismo modo, Jelinek se Bioinspirada por el chewing movimiento de la linterna de Aristóteles y el desarrollado una mejor cosechadora de biopsia que podría aislar de forma segura el tejido tumoral sin propagación de las células cancerosas (Figura 2 B, C) ​​12,13. En este caso, el diseño bioinspirado se utilizó para hacer un dispositivo biomédico que se ajustan a una necesidad específica de la aplicación deseada. El protocolo de diseño descrito aquí se aplica a una muestra de sedimento Bioinspirada por erizos de mar. A través de la ciencia de materiales biológicos, la estructura natural de la linterna de Aristóteles se caracteriza. diseño Bioinspirada identifica las aplicaciones potenciales en los que los mecanismos naturales se puede mejorar mediante el uso de materiales modernos y técnicas de fabricación. El diseño final se vuelve a cabo a través del prisma de la prospección biológica para entender cómo la estructura del diente natural evolucionó (Figura 3). La última etapa de prospección biológica, propuesto por Porter 17,18, utiliza métodos de análisis de ingeniería al correoxplore y explicar los fenómenos biológicos. Todos los pasos importantes del proceso Bioinspiration se presentan como un ejemplo para el aprovechamiento de la tecnología, previamente aprobados por la naturaleza, que se puede utilizar para resolver problemas modernos. Nuestro protocolo, motivado por procedimientos Bioinspiration anteriores presentados para aplicaciones específicas por Arzt 7, está dirigido a biólogos, ingenieros y cualquier otra persona que se inspira en la naturaleza.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td></td><td>305308600102 Papel abrasivo para pulir</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Paño polaco para 3 &#956; m suspensión</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Suspensión polaca (3&nbsp; &#956; m)</td></tr> <tr><td>MICROPAÑO PARA RUEDA DE 8 PULGADAS PSA</td><td>407218</td><td>Tela polaca Buehler para suspensión de 50 nm</td><td></td></tr><tr><td>SUSPENSIÓN MASTERPREP, 6 OZ</td> Suspensión <td>636377006</td> polaca <td>Buehler</td><td>(50&nbsp; nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Equipo de escáner Micro-CT</td></tr> Software <tr><td>Amira</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software para la manipulación 3D de micro-CT</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td>ESEM equipo para la caracterización de secciones transversales de dientes pulidos</td><td></td></tr><tr><td>Software de diseño SolidWorks Sistemas</td><td>Dassault</td><td></td><td>Software de diseño para el dispositivo bioinspirado de dibujo CAD</td></tr><tr><td>SolidWorks Software de simulación</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Software de simulación para la prueba de esfuerzo del dispositivo bioinspirado de dibujo CAD</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td> Impresora 3D <td>Stratasys</td><td></td><td>para la fabricación de un dispositivo bioinspirado a partir de dibujos CAD</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Plástico de la impresora 3D</td> <td>Stratasys</td><td></td></tr></tbody></table>

un protocolo para la bioinspirada diseño: planta sampler sobre la base de erizo de mar tiburón

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

El diseño bioinspirado es un campo emergente que se inspira en la naturaleza para desarrollar materiales y dispositivos de alto rendimiento. La boquilla de erizo de mar, conocida como la linterna de Aristóteles, es una fuente convincente de bioinspiración con una intrincada red de musculatura y dientes calcáreos que pueden raspar, cortar, masticar alimentos y perforar sustratos rocosos. Describimos el proceso de bioinspiración como la observación de animales, la caracterización de especímenes, la fabricación de dispositivos y la bioexploración de mecanismos. El último paso de la bioexploración permite una comprensión más profunda de la biología inicial. La arquitectura de diseño de la linterna de Aristóteles se analiza con microtomografía computarizada y los dientes individuales se examinan con microscopía electrónica de barrido para identificar la microestructura. Los diseños bioinspirados se fabrican con una impresora 3D, se ensamblan y se prueban para determinar el mecanismo de apertura y cierre de la linterna más eficiente. Los dientes del diseño de la linterna bioinspirada se bioexploran mediante el análisis de elementos finitos para explicar desde una perspectiva mecánica por qué evolucionaron las estructuras de dientes con quilla en los erizos de mar modernos que observamos. Este enfoque circular permite extraer nuevas conclusiones de la biología y la naturaleza.

Bioinspirada diseño del dispositivo de muestreo de la linterna de Aristóteles depende en gran medida de la calidad de los métodos de caracterización utilizados. Las técnicas no invasivas como μ-TC son útiles para el análisis de toda la linterna y los dientes individuales para aplicar mejoras específicas de aplicación para el diseño bioinspirado (Figura 4). Mientras tanto, la microestructura de los dientes puede ser explorado a través de electrones secundarios y micrograf...

Se describe un protocolo para el diseño bioinspirado para un dispositivo de muestreo basado en las mandíbulas de un erizo de mar. El proceso de bioinspiración incluye la observación de los erizos de mar, la caracterización de la boquilla, la impresión 3D de los dientes y su ensamblaje, y la bioexploración de la estructura dental.

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

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

El objetivo de este protocolo es examinar la estructura natural de la pieza bucal del erizo de mar, la linterna de Aristóteles, con el fin de desarrollar un prototipo de muestreo de sedimentos utilizando análisis de ingeniería para probar la aplicación de características biológicas en diseños inspirados en la biología. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del diseño inspirado en la biología. Concretamente, por qué evolucionó una estructura de diente 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 investigaciones de diseño bioinspirado de diversas estructuras naturales. Otras estructuras similares incluyen la cola del caballito de mar, las escamas del pez caja y las espinas del pez erizo. Las implicaciones de esto técnicamente convierten la mejora en una exploración superficial exclusiva, ya que los polos minerales equipados con muestreadores de sedimentos bio-spar pueden recolectar eficientemente pequeñas muestras. Generalmente, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque los objetivos de cada protocolo inspirado en la naturaleza variarán según el tipo de estructura natural examinada. Después de descongelar el erizo de mar, colóquelo para la disección con las puntas de los dientes orientadas hacia arriba. Comience a cortar el tejido conectivo alrededor del perímetro del farol de Aristóteles.Luego, retire cuidadosamente el farol y enjuáguelo con agua destilada corriente. Utilice pinzas para eliminar los restos de tejido del exterior y abra cuidadosamente el farol para extraer los dientes. Alternativamente, un farol seco que se enjuague nuevamente con agua se desarmará, lo que permitirá un acceso más fácil a los dientes.Ahora, tome un diente y sumérjalo cuidadosamente en un tubo con epoxi recién preparado. Coloque el lado cóncavo curvo hacia arriba y evite que el diente toque la pared del tubo. Luego, deje que el epoxi se cure a temperatura ambiente durante 24 horas.Al día siguiente, utilice una sierra cortadora para eliminar la epoxi alrededor del diente hasta dejar aproximadamente un centímetro cúbico. Luego, con una pieza de papel de lija grueso número 125 o más alto y aplicando presión ligera, friccione la muestra en una sola dirección durante cinco minutos. Cambie progresivamente a papeles de lija con granos cada vez más finos, hasta llegar al número 2400.Para cada grano de papel de lija, asegúrese de rotar la muestra 90 grados. Utilice un microscopio según sea necesario para verificar que el frotado siempre sea en la misma dirección para cada grano de papel de lija. Después del lijado, humedezca un paño microfibras con un pulimento de alúmina de medio micrón al 50 por ciento en volumen en agua.Luego, frote la muestra con un movimiento de ida y vuelta durante cinco minutos. Después del pulido, utilice papel de tissue libre de partículas para limpiar la muestra y luego envuélvala con el mismo papel para su almacenamiento. A continuación, caracterice la microestructura del diente mediante microscopía electrónica de barrido.Después de aplicar un recubrimiento por pulverización, tome imágenes microfotográficas de 250 a 500 aumentos de la muestra. A continuación, realice escaneos de tomografía computarizada microscópica del erizo de mar rosado completo y de la linterna de Aristóteles recién diseccionada. Coloque las muestras sobre un tejido humedecido cuando estén en la cámara de imagen.Para el cuerpo, realice un escaneo con un tamaño de vóxel isotrópico de 36 micrones a 100 kilovoltios pico y 100 miliamperios. Para la linterna, realice un escaneo con un tamaño de vóxel isotrópico de aproximadamente nueve micrones a 70 kilovoltios pico y 141 miliamperios. Utilice un filtro de aluminio de un punto cero milímetros para ambos.Mediante escaneos de micro-TC y modelado CAD, se elaboró un diseño inspirado en la biología con cinco dientes curvos con una altura de seis centímetros y un diámetro de ocho centímetros para la linterna cerrada, lo que representa un tamaño cinco veces mayor que el de la linterna natural de Aristóteles. Para cada componente de la mandíbula inspirada en la biología, genere archivos STL para la impresión 3D. Prepare la impresora 3D cargando primero los cartuchos de plástico de acrilonitrilo butadieno estireno y del material plástico de soporte.Luego, inserte la base de modelado en la plataforma Z alineando primero las lengüetas de la base con las ranuras de la bandeja. Ahora abra las partes del archivo STL y siga los pasos de la pantalla para orientar e imprimir las piezas individuales de la linterna simultáneamente. 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 siguiendo las guías de la bandeja. Luego, utilice una espátula de metal para desprender las piezas impresas de la base. Una vez separadas, coloque las piezas impresas en un baño de base calentado hasta que el material plástico de soporte se disuelva.Ahora, sujete cada diente a un brazo articulado con una varilla de enlace utilizando anillos elásticos e en ambos lados y ensamble la linterna de Aristóteles inspirada en la biología. Utilizando el archivo CAD del diente inspirado en la biología, realice una prueba de análisis de tensiones mediante modelado por elementos finitos. Primero, abra el archivo.Inicie un nuevo estudio. Y elija realizar una prueba estática con una geometría fija. A continuación, haga clic en las interfaces para agregar accesorios a los orificios de montaje donde irán los pasadores.A continuación, establezca la fuerza de las cargas externas. Haga clic sobre las caras del extremo del diente del molino para aplicar una fuerza de 45 Newtons a los bordes. Ahora, configure la gravedad.Indique en la configuración del plano superior que la fuerza de gravedad debe aplicarse normalmente al plano. A continuación, cree una malla sobre la superficie de diseño y establezca la densidad de la malla en fina. Ahora, realice la prueba para comparar un diente con y sin quilla.Una escala de colores mostrará las áreas de mayor tensión. La imagen no invasiva del diente de erizo de mar y de la linterna de Aristóteles fue fundamental para desarrollar un diseño inspirado en la biología. El análisis detallado de la microestructura del diente mediante MEB confirmó la importancia estructural de la parte de piedra enriquecida con magnesio en la punta molida del diente.Los elementos primarios en forma de placa y fibra están conectados entre sí mediante una matriz de elementos secundarios en la región de piedra más dura de la punta trituradora del diente. La porción más dura de la piedra, mostrada en gris más oscuro, está compuesta hasta en un 40 por ciento por átomos de magnesio que reemplazan a los átomos de calcio. Por lo tanto, la linterna inspirada en la biología fue diseñada con software CAD, impresa en 3D y ensamblada.El propósito final del diseño es recolectar arena. La importancia del carenado en el diseño se evaluó mediante pruebas computarizadas de tensión sobre el diseño CAD. Para una fuerza aplicada de 45 newton, el esfuerzo máximo experimentado por el diseño del diente con carenado fue aproximadamente un 16 por ciento menor.Sin embargo, la quilla a&ntilde;ade solo un cuatro por ciento a la masa del dise&ntilde;o. Al intentar un protocolo de dise&ntilde;o inspirado en la biolog&iacute;a, es importante comenzar con una observaci&oacute;n cuidadosa de la estructura natural en su forma viva, o mediante el uso de m&eacute;todos de caracterizaci&oacute;n no invasivos, como la micro-TC y el MEB. Siguiendo el procedimiento general, los dise&ntilde;os inspirados en la biolog&iacute;a a partir de otras estructuras naturales pueden implementarse en aplicaciones &uacute;tiles en una amplia gama de campos de la ingenier&iacute;a.El paso final de bioexploración basado en el trabajo del profesor Michael Porter es especialmente esencial para utilizar métodos de análisis de ingeniería que cuantifiquen la ventaja mecánica de la estructura de quilla en el diente del erizo de mar.

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Research

Investigación

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Bioengineering

Bioingeniería

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