Un système de test en flexion millimètre pour mesurer les propriétés mécaniques des Spicules d’éponges marines

L’objectif global de cette expérience est de mesurer le comportement en flexion de fibres dont le diamètre est compris entre 10 et 100 micromètres. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés sur le comportement mécanique des structures biologiques, telles que les propriétés de résistance et de rigidité des spicules d’éponges marines. Le principal avantage de cette technique est qu’elle peut être utilisée pour mesurer le comportement mécanique d’une grande variété de matériaux de tailles et de propriétés élastiques différentes.

Bien que cette méthode puisse donner un aperçu du comportement mécanique des spicules, elle peut également être appliquée à d’autres structures biologiques porteuses de charge, telles que les tiges de plantes et les rachis de plumes. Pour commencer, fixez le point de charge au cantilever à l’aide de vis d’assemblage à tête creuse numéro 4-40. Veillez à ne pas déformer plastiquement les bras en porte-à-faux lors de la fixation du point de charge.

Ensuite, positionnez l’extrémité du point de charge à l’écart de la plaque en porte-à-faux et fixez sans serrer le porte-à-faux à la plaque, à l’aide de vis d’assemblage à tête creuse numéro 6-32. Ensuite, insérez les goupilles d’alignement de 1/8 de pouce à travers le porte-à-faux et la plaque, serrez les vis, puis retirez les goupilles d’alignement. Rétractez le capteur de déplacement de fibre optique autant que possible en tournant le micromètre du capteur dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Ensuite, fixez sans serrer la plaque en porte-à-faux au cadre, à l’aide de vis d’assemblage à tête creuse numéro 6-32 avec la pointe du point de charge pointant dans la direction z négative. Encore une fois, insérez les goupilles d’alignement de 1/8 de pouce, cette fois à travers le cadre et la plaque en porte-à-faux, serrez les vis, puis retirez les goupilles d’alignement. Maintenant, placez la platine sur la plaque de base de la platine de sorte que les pointes des têtes micrométriques sur la plaque de nivellement reposent dans les divots de la plaque de base de la platine.

Placez un niveau à bulle sur la table d’isolation et ajustez la pression dans chacun des pieds de la table en tournant les vis à oreilles du bras de la vanne de manière à ce que la surface soit de niveau. Déplacez le niveau à bulle vers le haut de la plaque de nivellement de la platine et ajustez le micromètre pour qu’il soit également de niveau. Notez les positions du micromètre et retirez la platine de la plaque de base.

À l’aide d’une pince à épiler, saisissez un spicule d’ancrage par son extrémité distale et tirez pour le retirer du squelette. Placez le spicule sur une lame de microscope propre. À l’aide d’un pinceau en martre rouge quintuple de taille zéro, maintenez le spicule contre la lame.

Coupez une section de quatre millimètres du spicule en poussant une lame de rasoir contre le spicule de chaque côté de la brosse, perpendiculairement à la surface de la glissière. Ensuite, jetez les sections distales et proximales des spicules et conservez la section de quatre millimètres coupée à partir du point médian. Transférez la section du spicule à l’étage d’échantillonnage.

Positionnez-le en travers de la tranchée avec la portée souhaitée pour l’essai de flexion et poussez-le doucement dans la direction y positive contre le faîte de la tranchée pour vous assurer que le spicule est perpendiculaire aux bords de la tranchée. Placez la platine sur la plaque de base de la platine de manière à ce que les pointes des broches du micromètre reposent dans les divots de la plaque de base de la platine. Si nécessaire, ajustez les micromètres sur la plaque de nivellement de la platine.

Ouvrez le programme d’essai de flexion qui se trouve dans le fichier de code supplémentaire et réglez la taille du pas sur deux micromètres, le déplacement maximal sur 0,5 millimètre, la butée basse tension sur 1,5 volt et la butée haute tension sur 4,6 volts, à l’aide des zones de texte affichées dans l’interface utilisateur. Sélectionnez l’image, les répertoires de données et le nom du fichier de sortie à l’aide des zones de texte de l’interface utilisateur. Ensuite, réglez le commutateur Enregistrer les images dans l’interface utilisateur sur la position basse et cliquez sur le bouton rectangulaire vert sous les mots Différence de tension pour qu’il s’allume.

Maintenant, exécutez le programme de test de flexion et attendez que le contrôleur de moteur et les interfaces de la caméra s’initialisent. Allumez l’illuminateur et ajustez la luminosité de manière à ce que l’extrémité du point de charge soit visible. Ensuite, tournez le capteur de déplacement de la fibre optique du micromètre dans le sens des aiguilles d’une montre jusqu’à ce que la tension de sortie affichée dans le graphique de l’interface utilisateur soit d’environ 1,7 volts.

Maintenant, utilisez le curseur du potentiomètre sur le contrôleur de moteur de l’axe z pour déplacer l’étage dans la direction z positive jusqu’à ce qu’il soit à environ un centimètre en dessous de la pointe du point de charge, et réglez la position d’accueil de l’axe z en cliquant sur le bouton Accueil. Utilisez les curseurs du potentiomètre sur les contrôleurs de moteur des axes x et y pour positionner l’extrémité du point de charge sur le centre de la fine bande d’acier située sur la platine d’échantillon dans la direction x négative de la tranchée. Ensuite, utilisez le curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur de l’axe z pour déplacer la platine dans la direction z positive jusqu’à ce que la platine soit dans le champ de vision du microscope.

Cliquez sur le bouton Commencer le test et, lorsque vous y êtes invité, entrez des valeurs de 0,003 volts et 0,001 millimètre pour la sensibilité tactile et la taille du pas de contact, respectivement. Cliquez sur OK et attendez quelques minutes que l’étape d’étalonnage se termine. Ouvrez et exécutez le programme de données de base qui se trouve dans le fichier de code supplémentaire, puis tournez le micromètre du capteur de déplacement de fibre optique dans le sens inverse des aiguilles d’une montre jusqu’à ce que la tension de sortie affichée sur le graphique de l’interface utilisateur soit d’environ trois volts.

Ensuite, utilisez le curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur de l’axe X pour positionner la pointe du point de charge entre les bords de la tranchée au-dessus de la spicule. Utilisez également le curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur de l’axe z pour déplacer la platine dans la direction z positive jusqu’à ce que la pointe du point de charge se trouve sous la surface supérieure de la crête de la tranchée. Enfin, utilisez le curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur de l’axe Y pour mettre au point la surface avant de la crête de tranchée afin que toute la largeur de la pointe du point de charge se trouve entre les bords de la crête de tranchée.

Ensuite, arrêtez le programme de données de base en cliquant sur le bouton Arrêter. Ensuite, ouvrez et exécutez le programme Point de charge central, tel qu’il se trouve dans le fichier de code supplémentaire. Utilisez le contrôleur de moteur de l’axe X pour déplacer la platine jusqu’à ce que la pointe du point de charge soit presque en contact avec le bord de la tranchée droite.

Ensuite, cliquez sur le bouton Trouver un bord. Lorsque vous y êtes invité, utilisez le contrôleur de moteur de l’axe X pour déplacer la platine jusqu’à ce que la pointe du point de charge soit presque en contact avec le bord de la tranchée gauche. À ce stade, cliquez à nouveau sur le bouton Trouver une arête et attendez que le programme positionne la pointe du point de charge à mi-chemin de la travée de la tranchée.

Ensuite, ouvrez le programme d’essais de flexion. Réglez la taille du pas sur deux micromètres, le déplacement maximal sur 0,5 millimètre, l’arrêt basse tension sur 1,5 volt et l’arrêt haute tension sur 4,5 volts à l’aide des zones de texte de l’interface utilisateur. En outre, sélectionnez les répertoires d’images et de données souhaités ainsi que le nom du fichier de sortie, à l’aide des zones de texte de l’interface utilisateur.

Réglez le commutateur Enregistrer les images de l’interface utilisateur sur la position haute, puis cliquez sur le bouton rectangulaire vert sous les mots Différence de tension afin qu’il ne soit pas éclairé. Ensuite, exécutez le programme de test de flexion et attendez que le contrôleur de moteur et les interfaces de la caméra s’initialisent. Une fois initialisé, déplacez la platine dans la direction z positive, à l’aide du curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur, jusqu’à ce que le spicule soit dans le champ de vision du microscope.

Ensuite, utilisez le curseur du potentiomètre sur le contrôleur du moteur de l’axe Y pour déplacer la platine jusqu’à ce que le spicule soit sous la pointe du point de charge. Ensuite, ajustez le bouton de mise au point du microscope de sorte que le spicule soit net dans l’interface utilisateur. Ensuite, tournez le micromètre du capteur de déplacement de fibre optique dans le sens inverse des aiguilles d’une montre jusqu’à ce que la tension de sortie soit d’environ 1,8 volts.

Une fois défini, cliquez sur Commencer le test et attendez que le test de pliage soit terminé et que l’étape revienne à la position d’origine de l’axe z. Le déplacement du spicule dans la direction z et la force appliquée par la pointe du point de charge peuvent être calculés à l’aide du fichier d’interpolation tension-déplacement, du fichier d’étalonnage de la force et du fichier d’essai de flexion obtenu à partir de l’essai de flexion en trois points. Le fichier d’interpolation tension-déplacement est utilisé pour mesurer le déplacement en porte-à-faux pendant l’essai de flexion.

Pour estimer la rigidité du porte-à-faux, on utilise l’étalonnage de la force, qui est ensuite utilisé pour relier le déplacement du porte-à-faux à la force appliquée par la pointe du point de charge. Pris ensemble, ils peuvent être utilisés pour créer les réponses de déplacement de force. On voit ici trois spicules d’ancrage E. aspergillum différents issus d’essais de flexion en trois points réussis.

Une fois maîtrisé, un test de flexion peut être effectué avec cet appareil en 10 à 15 minutes environ. L’aspect le plus important de cette procédure est de s’assurer que le spicule est correctement placé sur la scène et que son axe est perpendiculaire aux bords de la tranchée. Les essais de flexion en trois points offrent aux chercheurs qui étudient les structures biologiques porteuses un moyen relativement simple de mieux comprendre leur comportement mécanique.

Après l’essai de flexion, les théories des poutres peuvent être utilisées pour calculer le module de Young des spicules et la résistance à la rupture à partir des données de déplacement de force.