밀리미터 규모 굴곡 테스트 시스템 해양 스폰지 Spicules의 기계적 특성을 측정 하기 위한

Summary

우리는 주문 품 기계 테스트 장치를 사용 하 여 하위 밀리미터 규모 섬유에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하기 위한 프로토콜을 제시. 소자 최대 10 N 20 µN에서 배열 하는 힘을 측정할 수 있으며 따라서 다양 한 섬유 크기를 수용할 수 있습니다.

Abstract

많은 생물학 구조 (LBBSs) 베어링 로드-깃털 rachises 등 spicules-작은 (< 1 m m)만 아니라 미세한. 이러한 LBBSs의 굴곡 동작을 측정 하는 것은 그들의 놀라운 기계적 기능의 유래를 이해 하기 위한 중요 한입니다.

우리는 10^-5 에서 10¹ N, 변위 10^-2 m까지 10^-7 에서 이르기까지 세력을 측정할 수 있는 맞춤식 기계 테스트 장치를 사용 하 여 3-포인트 벤딩 테스트 수행을 위한 프로토콜을 설명 합니다. 이 기계 장치를 테스트의 주요 장점은 힘 및 변위 용량 쉽게 다른 LBBSs에 대 한 조정 될 수 있다입니다. 소자의 동작 원리는 원자 힘 현미경의 비슷합니다. 즉, 강제는 캔틸레버의 끝에 연결 된 부하 포인트는 LBBS에 적용 됩니다. 부하 지점 변위 섬유 광섬유 변위 센서에 의해 측정 하 고 측정 된 캔틸레버 강성을 사용 하 여 힘으로 변환. 장치의 힘 범위 다른 stiffnesses의 캔틸레버를 사용 하 여 조정할 수 있습니다.

장치의 기능 가지 해양 스폰지 Euplectella aspergillum의 골격 요소에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하 여 보여 줍니다. 골격 요소-spicules로 알려진-는 실리 카 섬유를 약 50 µ m 직경에서. 우리는 spicules ≈1.3 m m 범위와 3-포인트 절곡 설비에 장착 기계 테스트 장치를 보정 하는 절차를 설명 하 고 테스트는 절곡 수행. 스피큘와 적용 된 힘의 위치에서 그것의 편향도에 적용 되는 힘 측정 됩니다.

Introduction

로드 베어링 생물학 구조 (LBBSs), 껍질과 뼈 등의 구조를 공부 하 여 엔지니어는 강력 하 고 거친 ¹는 새로운 복합 재료를 개발 했습니다. 그것은 LBBSs과 바이오 영감 들의 뛰어난 기계적 특성 그들의 복잡 한 내부 구조 ²에 관련 된 표시 되었습니다. 그러나, LBBS 구조와 기계적 특성 간의 관계 완전히 이해 되지 않는다. LBBS의 기계적 응답을 측정 하는 것은 그것의 건축의 기계적 특성을 향상 하는 어떻게 이해를 향한 첫 걸음입니다.

그러나, 그것은 LBBS의 기계적 응답을 측정 하는 데 사용 하는 테스트 종류에는 그것의 기계적인 기능와 일치. 예를 들어 깃털 공기 역학적 로드를 지원 해야 합니다, 깃털 rachis의 기본 기능 이므로 굴곡 강성 ³를 제공 하. 따라서, 벤딩 테스트는 기계적 응답을 측정 하기 위한 단축 인장 시험을 선호. 사실, 많은 LBBSs에에서-깃털 rachises ³, 같은 잔디 줄기 ⁴, 그리고 spicules ^5,

Protocol

1. 어셈블리 및 맞춤

1. 외팔보의 강성은 의도 된 실험에 대 한 적절 한 선택. #4-40 소켓 헤드 캡 나사 (SHCSs) ( 그림 3 참조)를 사용 하 여 외팔보에 LP를 연결 합니다. 구부러지는 하지 LP를 연결 하는 동안 공가 팔을 변형 처리.

그림 3: 캔틸레버 조립 절차 힘 센서 및 측정 그것의 뻣 뻣 함. (A) 부하 포인트 (LP) 캔틸레버 (C), 위쪽으로 지적 부하 포인트 팁 (LPT) 연결 되어. (B) 캔틸레버 LP 서브 CP로 표시 된 캔틸레버 플레이트에 첨부. 캔틸레버 판의 recessed 주머니 외팔보 팔 아래 표시 됩니다. (C) 캔틸레버 플레이트 프레임의 아래쪽에 연결 (B....

Results

어떤 기계적인 테스트의 가장 기본적인 출력은 표본과 힘이 적용 되는 위치의 변위에 적용 되는 힘의 크기 이다. 3-포인트 벤딩 테스트의 경우 목표는 LPT에 의해 적용 되는 힘의 크기를 얻을 것입니다 , 및에서 LPT 아래 견본의 횡단면의 변위는 방향, . 그러나, 여기에 설명 된 기계 테스트 장치에 대 한 몇 가지 후 처리 단계 수행 해야 합니다 2, 4 단계와 5 단계 프로토콜의 원하는이에서 얻은 출력 데이터

Discussion

프로토콜의 여러 단계는 힘과 변위는 정확 하 게 측정 하는 보장에 대 한 특히 중요 하다. 이러한 중요 한 단계 중 일부는 모든 3-포인트 벤딩 테스트 유니버설, 동안 다른이 기계 테스트 장치에 독특합니다.

Lp로 거울 청소 하 고 긁힌 자국이 들어, 검사 프로토콜의 단계 1.2 및 프로토콜의 단계 1.6 FODS 이득 설정 됩니다. 그것은 이득 및 단계 2, 4및 5 의 프로토콜에 대 한 상수로 LP 거울 반사율에 대 한 중요 하다. 이러한 이유로, 두 교정 단계 (단계 2와 4 는 프로토콜) 벤딩 테스트 (5 단계/프로토콜) 직전 수행 되어야 한다.

1.9 단계

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
TMC 36" x 48" 격리 테이블(4인치 포함) CleanTop 브레드보드	TMC	63-563	격리 테이블
다양한 나사 조절기	Thorlabs	DAS110	무대 레벨링 플레이트용
1" 트래블 마이크로미터 헤드 0.001" 눈금	Thorlabs	150-801ME	무대 레벨링 플레이트용
PT 시리즈 번역 스테이지용 직각 브래킷, 1/4"- 20개의 장착 구멍	Thorlabs	PT102	현미경 마운트용
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps	Thorlabs	DT25	현미경 마운트용
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps	Thorlabs	PT1B	For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail	Edmund Optics	54-401	For 현미경 마운트
2.5" 너비, Dovetail Carrier	Edmund Optics	54-404	현미경 마운트
0.5" 너비, Dovetail Carrier	Edmund Optics	54-403	현미경 마운트
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20	Edmund Optics	57-788	Microscope component
Standard (with No In-Line Attachment), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	현미경 구성 요소
표준 인라인 어태치먼트 (2X-10X에서 최적화), InfiniTube,	Edmund Optics	56-126	현미경 구성 요소
, Mitutoyo/Achrovid 대물렌즈 어댑터(M26 - M27)	Edmund Optics	53-787	현미경 구성 요소
5X Infinity Achrovid Microscope 대물	렌즈, Edmund Optics	55-790	현미경 구성
요소0.316" ID, 광섬유 어댑터 SX-6	Edmund Optics	38-944	현미경 구성 요소
¼ "x 36", 유연한 광섬유 광 가이드	Edmund Optics	42-347	현미경 구성 요소
115V, MI-150 광섬유 조명기 w/IR 필터 및 홀더	Edmund Optics	55-718	현미경 구성 요소
Allied Vision Manta G-223 2/3" 컬러 CMOS 카메라	Edmund Optics	88-452
Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike	Edmund Optics용 현미경 구성 요소 전원 공급 장치	68-586	현미경 구성 요소
1/4" 여행 단일 축 변환 스테이지	Thorlabs	MS1S	FODS 마이크로미터
아날로그 반사율 종속 광섬유 변위 센서	Philtec	D20	FODS
30V, 3A DC 전원 공급 장치	Agilent	U8001A	DAQ 및 FODS용 전원 공급 장치
14비트, 48kS/s 저비용 다기능 DAQ	National 인스트루먼트	FODS용	USB-6009
3축 전동 변환 스테이지	Thorlabs	Thorlabs T25 XYZ-E/	M 번역 스테이지
T-Cube DC 서보 모터 컨트롤러	Thorlabs	TDC001	스테이지용 모터 컨트롤러
T-Cube 전원 공급 장치	Thorlabs	TPS001	모터 컨트롤러용 전원 공급 장치
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	소프트웨어	실행에 사용되는
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)	실행에 사용되는	National Instruments
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	편광 현미경
Nikon Pi 분석기가있는 중간 튜브 슬라이더	MVI	MDB45305	편광 현미경
Nikon Dia-Polarizer	MVI	MDN11920	편광 현미경
전원 코드 - 7'6"	MVI	79035	편광 현미경
Nikon P-Amh 기계식 스테이지	MVI	MDC45000	편광 현미경
Nikon Lwd Achromat 콘덴서	MVI	MBL16100	편광 현미경
Nikon LV-NBD5BD-CH 수동 Quint Nosepiece ESD	MVI	MBP60125	편광 현미경
Nikon C-TF 삼안 튜브 F	MVI	MBB93100	편광 현미경
Nikon CFI 10X 접안 렌즈 FN 22mm NC	MVI	MAK10110	편광 현미경
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective	MVI	MUE42100	편광 현미경
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	스폰지 스켈레톤
3.5X 헤드밴드 플립업 확대경	McMaster Carr	1490T5	스피큘 절편
Ø에 사용됨; 1" 실리콘 웨이퍼, 타입 P / < 100>	Ted Pella	16011	로드 포인트 미러에 사용
낮은 린트 테이퍼 팁 면봉	McMaster Carr	71035T31	LP 미러 청소에 사용
고무 그립 정밀 나이프	McMaster Carr	35575A68	스피큘 절단에 사용
현미경 슬라이드, 젖빛 끝, 75 x 25 x 1mm	Ted Pella	260409	스피큘
절단에 사용세이블 브러시, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L	Ted Pella	11806	스피큘 처리에 사용
PELCO Pro 고정밀 핀셋, 초미세 팁, 우수한 마감	Ted Pella	5367-5NM	스피큘 처리에 사용
Dual Axis Linear Scale Micrometer	Edmund Optics	58-608	현미경 보정에 사용
FLEX-A-TOP FT-38 CAS	ESD 플라스틱 용기	FT-38-CAS	스피큘 보관에 사용
플라스틱 바이알 Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	스테이지 레벨링에 사용
분석 저울	Mettler Toledo	MS105DU	분동을 대량 교정하는 데 사용됩니다.