Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di Sea Urchin Jaws

Lo scopo di questo protocollo è quello di esaminare la struttura naturale del bocchino del riccio di mare, la lanterna di Aristotele, per sviluppare un prototipo di campionamento dei sedimenti utilizzando l'analisi ingegneristica per testare l'applicazione delle caratteristiche biologiche in progetti bio-ispirati. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo del design bio-ispirato. In particolare, perché una struttura dentata carenata si è evoluta nei ricci di mare e in che modo potrebbe essere utile per il campionamento dei sedimenti.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce un quadro generale per le indagini di progettazione bio-ispirate di varie strutture naturali. Altre strutture simili includono la coda del cavalluccio marino, gli scudi del pesce scatola e le spine del pesce istrice. Le implicazioni di ciò rendono tecnicamente il miglioramento un'esposizione superficiale proprietaria perché i poli minerali sono dotati di bio-spar, i campionatori di sedimenti possono raccogliere in modo efficiente piccoli campioni.

Generalmente gli individui che non conoscono questo metodo avranno difficoltà perché gli obiettivi per ogni protocollo bio-ispirato varieranno a seconda del tipo di struttura naturale esaminata. Dopo aver scongelato il riccio di mare, preparalo per la dissezione con le punte dei denti rivolte verso l'alto. E inizia a tagliare via il tessuto connettivo attorno al perimetro della lanterna di Aristotele.

Quindi, sollevare con cautela la lanterna e risciacquarla con acqua distillata corrente. Usa una pinza per rimuovere il tessuto residuo all'esterno e apri con cura la lanterna per estrarre i denti. In alternativa, una lanterna secca che viene risciacquata di nuovo con acqua cadrà a pezzi per consentire un più facile accesso ai denti.

Ora, prendi un dente e immergilo con cura in un tubo di resina epossidica appena preparata. Posizionare il lato curvo concavo rivolto verso l'alto e non lasciare che il dente tocchi la parete del tubo. Quindi, lasciare indurire la resina epossidica a temperatura ambiente per 24 ore.

Il giorno successivo, usa una sega da sezionamento per rimuovere la resina epossidica attorno al dente fino a circa un centimetro cubo. Quindi, con un pezzo di carta vetrata grossolana numero 125 o superiore e esercitando una leggera pressione, strofinare il campione in una direzione per cinque minuti. Si passa progressivamente a carte abrasive a grana sempre più fine, fino ad arrivare al numero 2400.

Per ogni grana di carta vetrata, assicurati di ruotare il campione di 90 gradi. Utilizzare un microscopio secondo necessità per verificare che lo sfregamento sia sempre nella stessa direzione per ogni grana di carta vetrata. Dopo la levigatura, inumidire un micropanno con un 50% in volume di smalto di alluminina da mezzo micron in acqua.

Quindi strofinare il campione con un movimento avanti e indietro per cinque minuti. Dopo la lucidatura, utilizzare carta velina priva di particelle per pulire il campione, quindi avvolgerlo nella stessa carta per la conservazione. Successivamente, caratterizzare la microstruttura del dente utilizzando la microscopia elettronica a scansione.

Dopo aver applicato uno strato di sputtering, scattare immagini micrografiche da 250 a 500x del campione. Successivamente, esegui scansioni di tomografia microcomputerizzata dell'intero riccio di mare rosa e della lanterna di Aristotele appena sezionata. Posizionare i campioni su un tessuto inumidito quando si trovano nella camera di imaging.

Per il corpo, eseguire la scansione con una dimensione isotropa del voxel di 36 micron a 100 kilotensione di picco e 100 milliampere. Per la lanterna, eseguire la scansione con una dimensione isotropa del voxel di circa nove micron a 70 kilotensione di picco e 141 milliampere. Utilizzare un filtro in alluminio a un punto zero millimetri per entrambi.

Utilizzando micro scansioni TC e modellazione CAD è stato prodotto un design bio-ispirato con cinque denti curvi con un'altezza di sei centimetri e un diametro di otto centimetri per la lanterna chiusa, che è cinque volte più grande della lanterna naturale di Aristotele. Per ogni componente della mascella bio-ispirata, produci file STL per la stampa 3D. Preparare la stampante 3D caricando prima la plastica acrilonitrile-butadiene-stirene e supportare le cartucce di materiale plastico.

Quindi inserire la base di modellazione sulla piattaforma z allineando prima le linguette sulla base con le fessure nel vassoio. Ora apri le parti del file STL e segui i passaggi dello schermo di visualizzazione per orientare e stampare contemporaneamente le singole parti della lanterna. Di seguito è riportato un esempio per la stampa 3D di un braccio articolare.

Dopo aver stampato i file, rilasciare la base di modellazione dalle linguette e far scorrere la base fuori dalla stampante lungo le guide del vassoio. Quindi, utilizzare una spatola di metallo per staccare le parti stampate dalla base. Una volta staccate, posizionare le parti stampate in un bagno di base riscaldato fino a quando il materiale plastico di supporto non si scioglie.

Ora, fissa ogni dente a un braccio articolare con un'asta di collegamento utilizzando anelli di ritegno elettronici su entrambi i lati e assembla la lanterna di Aristotele bio-ispirata. Utilizzando il file CAD per il dente bio-ispirato, è possibile eseguire un test di analisi delle sollecitazioni di modellazione agli elementi finiti. Innanzitutto, apri il file.

Inizia un nuovo studio. E scegli di eseguire un test statico con una geometria fissa. Quindi, fare clic sulle interfacce per aggiungere dispositivi ai fori di montaggio in cui andranno i perni.

Quindi, impostare la forza dei carichi esterni. Fare clic sulle facce della punta di rettifica dei denti per applicare una forza di 45 Newton ai bordi. Ora, imposta la gravità.

Indicare nell'impostazione del piano superiore che la forza di gravità deve essere applicata normalmente al piano. Creare quindi una mesh nell'area di progettazione e impostare la densità della mesh su Fine. Ora, esegui il test per confrontare tra un dente con e senza la chiglia.

Una scala colorata mostrerà le aree di maggiore stress. L'imaging non invasivo del dente di riccio di mare e della lanterna di Aristotele è stato determinante per produrre un design bio-ispirato. L'analisi dettagliata della microstruttura del dente mediante SEM ha confermato l'importanza strutturale della parte in pietra arricchita di magnesio nella punta di macinazione del dente.

Gli elementi primari della piastra e della fibra sono collegati tra loro da una matrice di elementi secondari nella regione della pietra più dura della punta di rettifica del dente. La parte di pietra più dura, mostrata in grigio più scuro, è composta fino al 40% da atomi di magnesio che sostituiscono gli atomi di calcio. Pertanto, la lanterna bio-ispirata è stata progettata con software CAD, stampata in 3D e assemblata.

Lo scopo ultimo del progetto è raccogliere la sabbia. L'importanza della chiglia nella progettazione è stata testata utilizzando stress test computerizzati sul progetto CAD. Per una forza applicata di 45 Newton, lo stress massimo sperimentato dal design del dente carenato era di circa il 16% in meno.

Tuttavia, la chiglia aggiunge solo il quattro percento alla massa del design. Quando si tenta un protocollo di progettazione bio-ispirato, è importante iniziare con un'attenta osservazione della struttura naturale nella sua forma vivente o attraverso l'uso di metodi di caratterizzazione non invasivi, come la micro CT e il SEM. Seguendo la procedura generale, i progetti bio-ispirati di altre strutture naturali possono essere implementati in applicazioni utili in un'ampia gamma di campi dell'ingegneria.

La fase finale della bio-esplorazione, basata sul lavoro del professor Michael Porter, è particolarmente essenziale per l'utilizzo di metodi di analisi ingegneristica per quantificare il vantaggio meccanico della struttura della chiglia nel dente di riccio di mare.