פרוטוקול עיצוב Bioinspired: סמפלר קרקע בהתבסס על הים Urchin מלתעות

מטרת פרוטוקול זה היא לבחון את המבנה הטבעי של שופר קיפודי הים, הפנס של אריסטו, כדי לפתח אב טיפוס לדגימת משקעים באמצעות ניתוח הנדסי כדי לבחון את היישום של תכונות ביולוגיות בעיצובים בהשראת ביו. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום העיצוב בהשראת ביו. באופן ספציפי, מדוע התפתח מבנה שן מעוגל בקיפודי ים, וכיצד הוא עשוי להיות שימושי לדגימת משקעים.

היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא בכך שהיא מספקת מסגרת כללית לחקירות עיצוב בהשראת ביו של מבנים טבעיים שונים. מבנים אחרים כאלה כוללים את זנב סוסון הים, החריצים של דג הקופסה והקוצים של דג הדורבן. ההשלכות של זה מבחינה טכנית הופכות את השיפור לאקספולורציה קניינית של פני השטח מכיוון שקטבים מינרליים מתאימים לדוגמי משקעים ביו-ספאר יכולים לאסוף ביעילות דגימות קטנות.

בדרך כלל אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו מכיוון שהיעדים עבור כל פרוטוקול בהשראת ביו ישתנו בהתאם לסוג המבנה הטבעי שנבדק. לאחר הפשרת קיפוד הים, הכינו אותו לדיסקציה עם קצות השיניים מחודדים כלפי מעלה. והתחילו לחתוך את רקמת החיבור סביב היקף הפנס של אריסטו.

לאחר מכן, הרם בזהירות את הפנס ושטוף אותו במים מזוקקים זורמים. השתמש במלקחיים כדי להסיר שאריות רקמה מבחוץ ופתח בזהירות את הפנס כדי לעקור את השיניים. לחלופין, פנס מיובש שנשטף שוב במים יתפרק כדי לאפשר גישה קלה יותר לשיניים.

כעת, הרימו שן וטבלו אותה בזהירות בשפופרת של אפוקסי טרי שהוכן מראש. מקם את הצד הקעור המעוקל כלפי מעלה ואל תתנו לשן לגעת בדופן הצינור. לאחר מכן, הניחו לאפוקסי להתרפא בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות.

למחרת, השתמש במסור חתך כדי להסיר את האפוקסי סביב השן עד לסנטימטר מעוקב אחד. לאחר מכן, בעזרת פיסת נייר זכוכית גס מספר 125 ומעלה ובאמצעות לחץ קל, שפשפו את הדגימה בכיוון אחד למשך חמש דקות. החלף בהדרגה לניירות זכוכית עדינים יותר ויותר, עד למספר 2400.

עבור כל חצץ נייר זכוכית, הקפד לסובב את הדגימה 90 מעלות. השתמש במיקרוסקופ לפי הצורך כדי לוודא שהשפשוף תמיד באותו כיוון עבור כל חצץ נייר זכוכית. לאחר השיוף יש להרטיב מיקרו-בד עם לק אלומינינה של 50 אחוז בנפח חצי מיקרון במים.

לאחר מכן שפשפו את הדגימה בתנועה קדימה ואחורה למשך חמש דקות. לאחר הליטוש השתמש בנייר טישו נטול חלקיקים כדי לנקות את הדגימה, ולאחר מכן עטוף אותה באותו נייר לאחסון. לאחר מכן, אפיינו את המיקרו-מבנה של השן באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

לאחר מריחת שכבת מקרטע, צלם תמונות מיקרוגרף של 250 עד 500x של הדגימה. לאחר מכן קחו סריקות טומוגרפיה ממוחשבות של כל קיפוד הים הוורוד ושל הפנס של אריסטו שזה עתה נותח. הנח את הדגימות על רקמה לחה כאשר הן בתא ההדמיה.

עבור הגוף, סרוק עם גודל ווקסל איזוטרופי של 36 מיקרון ב-100 קילו-מתח שיא ו-100 מילי-אמפר. עבור הפנס, סרוק עם גודל ווקסל איזוטרופי של כתשעה מיקרון ב-70 קילו-מתח שיא ו-141 מיליאמפר השתמש במסנן אלומיניום של נקודה אחת אפס מילימטר עבור שניהם.

באמצעות סריקות מיקרו CT ומודלים של CAD, הופק עיצוב בהשראת ביו עם חמש שיניים מעוקלות בגובה של שישה סנטימטרים וקוטר של שמונה סנטימטרים עבור הפנס הסגור, הגדול פי חמישה מהפנס הטבעי של אריסטו. עבור כל רכיב של הלסת בהשראת ביו, הפק קובצי STL להדפסת תלת-ממד. הכן את מדפסת התלת מימד על ידי טעינה ראשונה של פלסטיק אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן, ותמוך במחסניות חומר פלסטי.

לאחר מכן הכנס את בסיס הדוגמנות לפלטפורמת z על ידי יישור הלשוניות בבסיס עם החריצים במגש. כעת פתח את STL file חלקים ובצע את שלבי מסך התצוגה כדי לכוון ולהדפיס חלקי פנס בודדים בו-זמנית. מוצגת כאן דוגמה להדפסת תלת מימד של זרוע משותפת.

לאחר הדפסת הקבצים, שחרר את בסיס הדוגמנות מהלשוניות והחלק את הבסיס החוצה מהמדפסת לאורך מכווני המגש. לאחר מכן, השתמש במרית מתכת כדי לחטט את החלקים המודפסים מהבסיס. לאחר הניתוק, הנח את החלקים המודפסים באמבט בסיס מחומם עד שהחומר הפלסטי התומך מתמוסס.

כעת, הדקו כל שן לזרוע משותפת עם מוט קישור באמצעות טבעות שמירה אלקטרוניות משני הצדדים והרכיבו את הפנס של אריסטו בהשראת ביו. באמצעות קובץ ה-CAD עבור השן בהשראת ביו, בצע בדיקת ניתוח מאמץ של מידול אלמנטים סופיים. ראשית, פתח את הקובץ.

התחל מחקר חדש. ובחר להריץ בדיקה סטטית עם גיאומטריה קבועה. לאחר מכן, לחץ על הממשקים כדי להוסיף מתקנים לחורי ההרכבה שאליהם ילכו הפינים

לאחר מכן, הגדר את כוח העומסים החיצוניים. לחץ על פני קצה השחיקה של השן כדי להפעיל כוח של 45 ניוטון על הקצוות. כעת, הגדר את כוח המשיכה.

ציין בהגדרת המישור העליון שיש להפעיל את כוח הכבידה כרגיל על המטוס. לאחר מכן, צרו רשת על משטח העיצוב, והגדירו את צפיפות הרשת לעדינה. כעת, הפעל את הבדיקה כדי להשוות בין שן עם ובלי השדרית.

סולם צבעוני יציג את אזורי הלחץ הגבוהים ביותר. הדמיה לא פולשנית של שן קיפודי הים והפנס של אריסטו היו חיוניים ביצירת עיצוב בהשראת ביו. ניתוח מפורט של המיקרו-מבנה של השן על ידי SEM אישר את החשיבות המבנית של חלק האבן המועשר במגנזיום בקצה החריקה של השן.

אלמנטים ראשוניים של צלחת וסיבים מחוברים זה לזה על ידי מטריצה של אלמנטים משניים באזור האבן הקשה ביותר של קצה השחזה של השן. חלק האבן הקשה יותר המוצג באפור כהה יותר, מורכב מעד 40 אחוז אטומי מגנזיום המחליפים את אטומי הסידן. לפיכך, הפנס בהשראת הביו תוכנן עם תוכנת CAD, הודפס והורכב בתלת מימד.

המטרה הסופית של העיצוב היא לאסוף חול. חשיבות השדרית בתכנון נבדקה באמצעות מבחני מאמץ ממוחשבים על תכנון ה-CAD. עבור 45 ניוטון הפעיל כוח, הלחץ המרבי שחווה עיצוב השן המשופעת היה כ-16 אחוז פחות.

עם זאת, השדרית מוסיפה רק ארבעה אחוזים למסת העיצוב. כאשר מנסים פרוטוקול עיצוב בהשראת ביו, חשוב להתחיל בהתבוננות מדוקדקת במבנה הטבעי בצורתו החיה, או באמצעות שימוש בשיטות אפיון לא פולשניות, כמו מיקרו CT ו-SEM. בעקבות הנוהל הכללי, ניתן ליישם עיצובים בהשראת ביו ממבנים טבעיים אחרים ביישומים שימושיים במגוון רחב של תחומי הנדסה.

שלב החקירה הביולוגית האחרון, המבוסס על עבודתו של פרופסור מייקל פורטר, חיוני במיוחד לשימוש בשיטות ניתוח הנדסיות כדי לכמת את היתרון המכני של מבנה השדרית בשן קיפודי הים.