Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur Sea Urchin Jaws

L’objectif de ce protocole est d’examiner la structure naturelle de l’embouchure de l’oursin, la lanterne d’Aristote, afin de développer un prototype d’échantillonnage de sédiments utilisant une analyse technique pour tester l’application de caractéristiques biologiques dans des conceptions bio-inspirées. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine du design bio-inspiré. Plus précisément, pourquoi une structure dentaire carénée a-t-elle évolué chez les oursins et comment pourrait-elle être utile pour l’échantillonnage des sédiments.

Le principal avantage de cette technique est qu’elle fournit un cadre général pour les études de conception bio-inspirées de diverses structures naturelles. D’autres structures de ce type comprennent la queue de l’hippocampe, les écailles du poisson-coffre et les épines du poisson-porc-épic. Les implications de cela font techniquement de l’amélioration une exposition de surface exclusive, car les pôles minéraux sont équipés de bio-spath et les échantillonneurs de sédiments peuvent collecter efficacement de petits échantillons.

En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal car les objectifs de chaque protocole bio-inspiré varieront en fonction du type de structure naturelle examinée. Après avoir décongelé l’oursin, préparez-le pour la dissection avec le bout des dents pointé vers le haut. Et commencez à couper le tissu conjonctif autour du périmètre de la lanterne d’Aristote.

Ensuite, soulevez délicatement la lanterne et rincez-la à l’eau distillée courante. Utilisez une pince pour retirer les restes de tissu à l’extérieur et ouvrez soigneusement la lanterne pour extraire les dents. Alternativement, une lanterne séchée qui est rincée à nouveau à l’eau se désagrègera pour permettre un accès plus facile aux dents.

Maintenant, prenez une dent et plongez-la soigneusement dans un tube d’époxy fraîchement préparé. Positionnez le côté concave incurvé vers le haut et ne laissez pas la dent toucher la paroi du tube. Ensuite, laissez l’époxy durcir à température ambiante pendant 24 heures.

Le lendemain, utilisez une scie à sectionner pour enlever l’époxy autour de la dent jusqu’à environ un centimètre cube. Ensuite, à l’aide d’un morceau de papier de verre grossier numéro 125 ou plus et en exerçant une légère pression, frottez l’échantillon dans une direction pendant cinq minutes. Passez progressivement à des papiers de verre à grain de plus en plus fin, jusqu’au nombre 2400.

Pour chaque grain de papier de verre, assurez-vous de faire pivoter l’échantillon de 90 degrés. Utilisez un microscope au besoin pour vérifier que le frottement est toujours dans le même sens pour chaque grain de papier de verre. Après le ponçage, humidifiez un microchiffon avec un vernis à l’aluminium d’un demi-micron de 50 % en volume dans de l’eau.

Frottez ensuite l’échantillon dans un mouvement de va-et-vient pendant cinq minutes. Après le polissage, utilisez du papier de soie sans particules pour nettoyer l’échantillon, puis enveloppez-le dans le même papier pour le stockage. Ensuite, caractérisez la microstructure de la dent à l’aide de la microscopie électronique à balayage.

Après avoir appliqué une couche de pulvérisation cathodique, prenez 250 à 500 images micrographiques de l’échantillon. Ensuite, prenez des micro-tomodensitométries de l’oursin rose entier et de la lanterne d’Aristote fraîchement disséquée. Placez les échantillons sur un mouchoir humidifié lorsqu’ils sont dans la chambre d’imagerie.

Pour le corps, balayage avec une taille de voxel isotrope de 36 microns à 100 kilovoltage de crête et 100 milliampères. Pour la lanterne, balayez avec une taille de voxel isotrope d’environ neuf microns à 70 kilovoltage de crête et 141 milliampères. Utilisez un filtre en aluminium à un point zéro millimètre pour les deux.

À l’aide de micro-tomodensitogrammes et de modélisations CAO, un design bio-inspiré a été produit avec cinq dents incurvées d’une hauteur de six centimètres et d’un diamètre de huit centimètres pour la lanterne fermée, qui est cinq fois plus grande que la lanterne naturelle d’Aristote. Pour chaque composant de la mâchoire bio-inspirée, produisez des fichiers STL pour l’impression 3D. Préparez l’imprimante 3D en chargeant d’abord le plastique acrylonitrile butadiène styrène et soutenez les cartouches en matière plastique.

Insérez ensuite la base de modelage sur la plate-forme z en alignant d’abord les languettes de la base avec les fentes du plateau. Ouvrez maintenant les parties du fichier STL et suivez les étapes de l’écran d’affichage pour orienter et imprimer des parties individuelles de lanterne en même temps. Voici un exemple d’impression 3D d’un bras articulaire.

Après avoir imprimé les fichiers, libérez la base de modélisation des onglets et faites glisser la base hors de l’imprimante le long des guides de plateau. Ensuite, à l’aide d’une spatule métallique, soulevez les pièces imprimées de la base. Une fois détachées, placez les pièces imprimées dans un bain de base chauffé jusqu’à ce que la matière plastique de support se dissolve.

Maintenant, fixez chaque dent à un bras articulaire avec une tige de liaison à l’aide d’anneaux de retenue E de chaque côté et assemblez la lanterne d’Aristote bio-inspirée. À l’aide du fichier CAO de la dent bio-inspirée, effectuez un test d’analyse de stress par modélisation par éléments finis. Tout d’abord, ouvrez le fichier.

Démarrez une nouvelle étude. Et choisissez d’exécuter un test statique avec une géométrie fixe. Ensuite, cliquez sur les interfaces pour ajouter des fixations aux trous de montage où les goupilles iront.

Ensuite, réglez la force des charges externes. Cliquez sur les faces de la pointe de meulage des dents pour appliquer une force de 45 Newton sur les bords. Maintenant, réglez la gravité.

Indiquez dans le réglage du plan supérieur que la force de gravité doit être appliquée normalement au plan. Ensuite, créez un maillage sur l’aire de conception et réglez la densité du maillage sur fine. Maintenant, exécutez le test pour comparer entre une dent avec et sans la quille.

Une échelle colorée montrera les zones les plus sollicitées. L’imagerie non invasive de la dent de l’oursin et de la lanterne d’Aristote a joué un rôle déterminant dans la production d’un design bio-inspiré. L’analyse détaillée de la microstructure de la dent par MEB a confirmé l’importance structurelle de la partie en pierre enrichie en magnésium dans la pointe de meulage de la dent.

Les éléments primaires de la plaque et de la fibre sont reliés entre eux par une matrice d’éléments secondaires dans la région de pierre la plus dure de la pointe de meulage de la dent. La partie la plus dure de la pierre, montrée en gris plus foncé, est composée d’atomes de magnésium pouvant contenir jusqu’à 40 % d’atomes de calcium, qui remplacent les atomes de calcium. Ainsi, la lanterne bio-inspirée a été conçue avec un logiciel de CAO, imprimée en 3D et assemblée.

Le but ultime de la conception est de collecter du sable. L’importance de la quille dans la conception a été testée à l’aide de tests de résistance informatisés sur la conception CAO. Pour une force de 45 Newton appliquée, la contrainte maximale subie par la conception de la dent à quille était d’environ 16 % inférieure.

Cependant, la quille n’ajoute que quatre pour cent à la masse de la conception. Lorsque vous tentez un protocole de conception bio-inspiré, il est important de commencer par une observation minutieuse de la structure naturelle dans sa forme vivante, ou par l’utilisation de méthodes de caractérisation non invasives, comme la micro-tomodensitométrie et le MEB. En suivant la procédure générale, les conceptions bio-inspirées d’autres structures naturelles peuvent être mises en œuvre dans des applications utiles dans un large éventail de domaines d’ingénierie.

L’étape finale de bio-exploration, basée sur les travaux du professeur Michael Porter, est particulièrement essentielle pour utiliser des méthodes d’analyse technique afin de quantifier l’avantage mécanique de la structure de la quille dans la dent de l’oursin.