Method Article

מילימטר סולם Flexural בדיקות מערכת למדידת התכונות המכאניות של הספוג הימי Spicules

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מציגים פרוטוקול לביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על מילימטר סולם סיבים באמצעות בדיקה מכנית לפי הזמנה. המכשיר יכול למדוד כוחות שנעו בין µN 20 עד 10 N, ולכן יכול להכיל מגוון של גדלי סיבים.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

רבים לטעון הנושאת מבנים ביולוגיים (LBBSs) – כמו נוצה rachises ו spicules — הם קטנים (< 1 מ מ) אבל לא מיקרוסקופיים. מדידת ההתנהגות flexural של אלה LBBSs חשוב להבין את מקורותיה של הפונקציות מכנית יוצאת דופן שלהם.

אנו מתארים פרוטוקול עבור ביצוע בדיקות כיפוף השלשה באמצעות התקן שהותקן הבדיקה מכני שיכול למדוד כוחות ועד 10-5 101 N ו displacements ועד 10-7 10-2 מ'. היתרון העיקרי של מכשיר הבדיקה מכני זה היא כי ניתן להתאים בקלות היכולות כוח ותזוזה עבור LBBSs שונים. עקרונות הפעולה של המכשיר דומה לזה של מיקרוסקופ כוח אטומי. כלומר, כוח חל את LBBS על-ידי נקודת טעינה מצורפת לסוף זיז. העקירה נקודת טעינה נמדד על ידי חיישן תזוזה סיב אופטי סיבים, שהוסב כוח באמצעות הקשיחות זיז נמדד. ניתן לכוונן טווח כוח של המכשיר באמצעות cantilevers של stiffnesses שונים.

יכולות ההתקן מודגמות על-ידי ביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על רכיבי השלד של הספוג הימי Euplectella aspergillum. רכיבי השלד – המכונה spicules — הם בסיבים סיליקה כ 50 מיקרומטר בקוטר. אנו מתארים את נהלי לכייל את המכשיר בדיקה מכאנית, הרכבה של spicules על מתקן כיפוף 3 נקודות עם טווח מ מ ≈1.3 ובדוק ביצוע כיפוף. הכוח להחיל את spicule והטיה שלה במיקום של הכוח יישומית נמדדים.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

על ידי לימוד של הארכיטקטורות של הנשיאה מבנים ביולוגיים (LBBSs), כגון shell ועצם, פיתחו מהנדסי חומרים מרוכבים חדשים חזק וקשוח 1. הוכח, כי התכונות המכאניות מדהים של LBBSs ושל עמיתיהם בהשראה ביו קשורים שלהם ארכיטקטורות מורכבות פנימית 2. עם זאת, קשרי הגומלין בין ארכיטקטורות LBBS תכונות מכניות הם לא מובן במלואו. מדידת תגובת מכני של LBBS הוא הצעד הראשון לקראת הבנת איך הארכיטקטורה משפר תכונות מכאניות שלה.

עם זאת, חשוב כי סוג המבחן המשמש למדידת התגובה מכני של LBBS הוא עקבי עם תפקידה מכני. לדוגמה, מאז נוצות חייב לתמוך המון אווירודינמי, התפקיד העיקרי של rachis נוצות נועד לספק קשיחות flexural

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הרכבה ויישור

  1. בחר זיז נוקשות אשר מתאים הניסוי המיועד. לצרף את LP הזיז באמצעות #4-40 שקע בראש כיפה הברגים (SHCSs) (ראה איור 3 א). . שמור על עצמך לא plastically לעוות את הזרועות זיז תוך הצמדת אריך הנגן.

figure-protocol-1
איור 3: נוהל בהרכבת הזיז לכפות חיישן ומדידת הנוקשות שלו. (א) העומס פוינט (LP) מחובר שלוחה (ג), עם קצה נקודת טעינה (LPT) מצביעים כלפי מעלה. (B) שלוחה ו- LP הרכבת המשנה של היר....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התוצרים הבסיסיות ביותר של כל מבחן מכני הם בסדר הגודל של הכוח שהוחלה על הדגימה ועל העקירה במיקום שבו הכוח מוחל. במקרה של בדיקת כיפוף השלשה, המטרה היא להשיג את סדר הגודל של הכוח שהחיל את LPT, figure-results-1 , ותזוזה של חתך הרוחב של הדגימה מתחת LPT ב figure-results-2 כיוון, figure-results-3 . עם זאת, עבור המכשיר בדיקה מכאני.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מספר שלבים של הפרוטוקול חשובים במיוחד להבטחת displacements וכוחות נמדדים באופן מדויק. בעוד חלק השלבים הקריטיים אוניברסלית כל הבדיקות כיפוף השלשה, אחרים הם ייחודיים להתקן זה בדיקות מכניות.

שלב 1.2 של פרוטוקול המראה LP הוא ניקה ולא בדק עבור שריטות, וכן שלב 1.6 של הפרוטוקול רווח FODS מוגדר. חשוב על השקיפות מראה LP כדי להיות קבוע על שלבים 2, 4ו- 5 לפרוטוקול ורווח. מסיבה זו, כיול שני השלבים (שלבים 2

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע הלאומית [מכניקה של חומרים, מבנים תוכנית, להעניק מספר 1562656]; האגודה האמריקנית של מהנדסי מכונות [פרס החוקר הצעיר Haythornthwaite].

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
שולחן בידוד TMC 36 אינץ' x 48 אינץ' עם לוח לחם CleanTop 4 אינץ'TMC63-563שולחן בידוד
מתאם בורג דיפינציאליThorlabsDAS110עבור צלחת פילוס
stage 1 אינץ' ראש מיקרומטר נסיעות עם סיומות 0.001 אינץ'Thorlabs150-801MEעבור צלחת פילוס stagסוגר
זווית ישרה לשלבי תרגום מסדרת PT, 1/4 אינץ'- 20 חורי הרכבהThorlabsPT102לתושבת מיקרוסקופ
1 אינץ' שלב תרגום זנב יונה, 1/4 אינץ' -20 ברזיםThorlabsDT25לתושבת מיקרוסקופ
1 אינץ' שלב תרגום עם בורג כוונון 1/4 אינץ' -170, 1/4 אינץ' -20 ברזיםThorlabsPT1Bלתושבת מיקרוסקופ
אורך 12 אינץ', מסילה אופטית זנב יונהאופטיקה אדמונד54-401עבור תושבת מיקרוסקופ
2.5 אינץ' רוחב, מנשא זנב יונהאופטיקה אדמונד54-404עבור מיקרוסקופ תושבת
0.5 אינץ' רוחב, מנשא זנב יונהאופטיקה אדמונד54-403עבור מיקרוסקופ תושבת
InfiniTube הרכבה C-Clamp עם ¼-20אופטיקה אדמונד57-788רכיב מיקרוסקופ
סטנדרטי (ללא חיבור בשורה), אופטיקה של InfiniTubeאדמונד56-125רכיב מיקרוסקופ
חיבור מקוון סטנדרטי (מותאם ב-2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126רכיב מיקרוסקופ
מתאם אובייקטיבי Mitutoyo/Achrovid (M26 ל-M27)אופטיקה אדמונד53-787רכיב מיקרוסקופ
5X Infinity Achrovid מיקרוסקופ אובייקטיביאופטיקה אדמונד55-790רכיב
מיקרוסקופמזהה 0.316 אינץ', מתאם סיבים אופטיים SX-6אופטיקה אדמונד38-944רכיב מיקרוסקופ
ו-frac14; "x 36", מדריך אור סיבים אופטיים גמישיםאופטיקה אדמונדאופטיקה 42-347רכיב מיקרוסקופ
115V, MI-150 סיבים אופטיים תאורה עם מסנן ומחזיק IRאופטיקה אדמונד55-718רכיב מיקרוסקופ
Allied Vision Manta G-223 2/3 אינץ' מצלמת CMOS צבעוניתאופטיקה אדמונד88-452רכיב מיקרוסקופ
ספק כוח עבור מנטה / גופי פרו / סטינגריי / פייקאופטיקה אדמונד68-586רכיב מיקרוסקופ
1/4 אינץ' נסיעות שלב תרגום ציר יחידThorlabsMS1SFODS מיקרומטר
אנלוגי השתקפות תלוי סיבים אופטיים חיישן תזוזהPhiltecD20FODS
30V, ספק כוח 3A DCAgilentU8001Aספק כוח עבור DAQ ו-FODS
14 סיביות, 48 kS/s בעלות נמוכה רב תכליתי DAQNational מכשיריםUSB-6009DAQ עבור FODS
שלב תרגום ממונע תלת ציריThorlabs ThorlabsT25 XYZ-E/Mשלב תרגום
T-Cube בקר מנוע סרוו DCThorlabsTDC001בקר מנוע לשלב
ספק כוח T-CubeThorlabsTPS001ספק כוח לבקר מנוע
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)מכשירים לאומייםהמשמשים להפעלת תוכנה
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)מכשירים לאומייםהמשמשים להפעלת תוכנה
Nikon Eclipse Ci-POL גוף ראשיMVIMDA96000מיקרוסקופ אור מקוטב
Nikon Pi צינור ביניים עם מחוון מנתחMVIMDB45305מיקרוסקופ
אור מקוטבניקון דיא-פולרייזרMVIMDN11920מיקרוסקופ אור מקוטב
כבל חשמל - 7'6 אינץ'MVI79035מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון P-AMH שלב מכניMVIMDC45000מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון Lwd מעבהMVIMBL16100מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון LV-NBD5BD-CH אף קווינט ידני ESDMVIMBP60125מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון C-TF צינור משולש FMVIMBB93100מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון CFI 10X עינית FN 22 מ"מ NCMVIMAK10110מיקרוסקופ אור מקוטב
ניקון TU תוכנית קמח BD 10x אובייקטיביMVIMUE42100מיקרוסקופ אור מקוטב
ונוס פרח סל ספוגדניס מותגN/Aשלד ספוג
3.5X סרט ראש מגדלת מתהפכתMcMaster Carr1490T5משמש לחיתוך ספיקולה
ואוסלאש; פרוסת סיליקון 1 אינץ', סוג P / < 100>Ted Pella16011משמש למראה נקודת עומס
מוך נמוך קצה מחודד צמר גפןMcMaster Carr71035T31משמש לניקוי מראה LP
אחיזת גומי סכין דיוקMcMaster Carr35575A68משמש לחיתוך ספיקולים
שקופיות מיקרוסקופ, קצה חלבי, 75 x 25 x 1 מ"מטד פלה260409משמש לחיתוך ספיקולים
מברשות סייבל, #00000, 0.08 מ"מ רוחב x 4.0 מ"מ Lטד פלה11806משמש לטיפול בחריצים
פינצטה דיוק גבוה PELCO Pro, טיפים עדינים במיוחד, גימור מעולהטד פלה5367-5NMמשמש לטיפול בספיקולים
מיקרומטר בקנה מידה ליניארי כפול ציר אופטיקהאדמונד58-608משמש לכיול המיקרוסקופים
FLEX-A-TOP FT-38 CASמיכלי פלסטיק ESDFT-38-CAS FT-38-CASמשמש לאחסון
חריצים בקבוקון פלסטיק רמת Bullseye McMasterCarr2147A11משמש ליישור הבמה
איזון אנליטימטלר טולדוMS105DUמשמש לכיול המוני משקולות

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Marine Sponge SpiculesThree Point BendingFlexural Testing SystemMechanical PropertiesBiological StructuresForce DisplacementCantilever StiffnessFiber Optic SensorLoad Point TipSample Stage

Related Articles