バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

このプロトコルの目的は、ウニのマウスピースであるアリストテレスのランタンの自然な構造を調査し、エンジニアリング分析を使用して堆積物サンプリングプロトタイプを開発し、バイオインスパイアードデザインにおける生物学的特徴の適用をテストすることです。この方法は、バイオインスパイアードデザイン分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。具体的には、なぜウニでキール歯の構造が進化したのか、そしてそれが堆積物のサンプリングにどのように役立つのか

この手法の主な利点は、さまざまな自然構造のバイオインスパイアード設計調査のための一般的なフレームワークを提供することです。他のそのような構造には、タツノオトシゴの尾、ツゲのスカウト、ヤマアラシの棘が含まれます。この意味するところは、技術的には、鉱物極がバイオスパー堆積物サンプラーに適合しているため、少量のサンプルを効率的に収集できるため、強化を独自の表面公開にします。

一般に、この方法に不慣れな個人は、各バイオインスパイアードプロトコルの目的が調査される自然構造の種類によって異なるため、苦労するでしょう。ウニを解凍したら、歯の先を上にして解剖用に設定します。そして、アリストテレスのランタンの周囲にある結合組織を切り取り始めます。

次に、ランタンを慎重に持ち上げ、流水で洗い流します。鉗子を使用して外側の残留組織を取り除き、ランタンを慎重に開いて歯を抜きます。あるいは、乾燥したランタンを水で再度洗い流すと、歯に手が届きやすくなるようにバラバラになります。

次に、歯を手に取り、準備したてのエポキシのチューブに慎重に浸します。湾曲した凹面を上に向けて配置し、歯がチューブの壁に触れないようにします。その後、エポキシを室温で24時間硬化させます。

翌日、切片鋸を使用して、歯の周りのエポキシを約1立方センチメートルまで取り除きます。次に、125番以上の粗いサンドペーパーで、軽い圧力でサンプルを一方向に5分間こすります。2400番まで、より細かいグリットのサンドペーパーに徐々に変更します。

サンドペーパーグリットごとに、サンプルを90度回転させてください。必要に応じて顕微鏡を使用して、各サンドペーパーグリットで摩擦が常に同じ方向にあることを確認します。サンディング後、マイクロクロスを50体積%のハーフミクロンアルミナポリッシュで水で湿らせます。

次に、サンプルを前後に動かして5分間こすります。研磨後、粒子のないティッシュペーパーを使用してサンプルを洗い流し、同じ紙に包んで保管します。次に、走査型電子顕微鏡を使用して歯の微細構造を特徴付けます。

スパッタコートを塗布した後、サンプルの250〜500倍の顕微鏡写真を撮影します。次に、ピンク色のウニ全体と解剖したばかりのアリストテレスのランタンのマイクロコンピューター断層撮影スキャンを行います。イメージングチャンバー内で湿らせた組織の上にサンプルを置きます。

ボディについては、100 ピーク キロボルテージと 100 ミリアンペアで 36 ミクロンの等方性ボクセル サイズでスキャンします。ランタンの場合は、70 ピーク キロ電圧と 141 ミリアンペアで約 9 ミクロンの等方性ボクセル サイズでスキャンします。両方にワンポイントゼロミリメートルアルミニウムフィルターを使用してください。

マイクロCTスキャンとCADモデリングを使用して、アリストテレスの自然界のランタンの5倍の大きさであるクローズドランタンのために、高さ6センチ、直径8センチの5つの湾曲した歯でバイオインスパイアされたデザインが作成されました。バイオインスパイアードジョーの各コンポーネントについて、3Dプリント用のSTLファイルを作成します。最初にアクリロニトリルブタジエンスチレンプラスチックをロードし、プラスチック材料カートリッジをサポートして3Dプリンターを準備します。

次に、最初にベースのタブをトレイのスロットに合わせ、モデリングベースをzプラットフォームに挿入します。次に、STLファイルパーツを開き、表示画面の手順に従って、個々のランタンパーツの向きと印刷を同時に行います。ここに示されているのは、ジョイントアームを3Dプリントする例です。

ファイルを印刷した後、モデリングベースをタブから離し、トレイガイドに沿ってベースをプリンターから引き出します。次に、金属ヘラを使用して、印刷されたパーツをベースにこじ開けます。取り外したら、サポートプラスチック材料が溶解するまで、印刷したパーツを加熱ベースバスに入れます。

次に、両側の電子保持リングを使用してリンクロッドで各歯をジョイントアームに固定し、バイオにインスパイアされたアリストテレスのランタンを組み立てます。生体にインスパイアードされた歯のCADファイルを使用して、有限要素モデリング応力解析テストを実行します。まず、ファイルを開きます。

新しい研究を開始します。また、固定ジオメトリで静的テストを実行することを選択します。次に、インターフェースをクリックして、ピンが挿入される取り付け穴にフィクスチャを追加します。

次に、外部荷重の力を設定します。歯ぎしりの先端面をクリックして、エッジに45ニュートンの力を加えます。次に、重力を設定します。

上面の設定で、重力が平面に通常どおり適用されるように指示します。次に、デザイン サーフェイスにメッシュを作成し、メッシュ密度を fine に設定します。次に、テストを実行して、キールのある歯とキールのない歯を比較します。

色付きのスケールは、最もストレスがかかる領域を示します。ウニの歯とアリストテレスのランタンの非侵襲的イメージングは、バイオインスパイアードデザインの作成に役立ちました。SEMによる歯の微細構造の詳細な分析により、歯ぎしりの先端におけるマグネシウムが豊富な石材部分の構造的重要性が確認されました。

プレートとファイバーの一次要素は、歯の研削チップの最も硬い石の領域にある二次要素のマトリックスによって接続されています。濃い灰色で示されている硬い石の部分は、カルシウム原子を置き換える最大40%のマグネシウム原子で構成されています。このように、バイオにインスパイアされたランタンは、CADソフトウェアで設計され、3Dプリントされ、組み立てられました。

デザインの最終的な目的は、砂を集めることです。設計におけるキールの重要性は、CAD設計のコンピュータ化されたストレステストを使用してテストされました。45ニュートンの加力の場合、キール歯の設計が受ける最大応力は約16%少なかった。

ただし、キールは設計の質量にわずか4パーセントしか追加しません。バイオインスパイアードデザインプロトコルを試みるときは、生命形態の自然構造を注意深く観察することから始めるか、マイクロCTやSEMなどの非侵襲的な特性評価方法を使用することが重要です。一般的な手順に従い、他の自然構造からのバイオインスパイアード設計を、幅広いエンジニアリング分野で有用なアプリケーションに実装できます。

マイケル・ポーター教授の研究に基づく最後のバイオ探査ステップは、ウニの歯のキール構造の機械的利点を定量化するための工学的分析手法を使用するために特に重要です。