Bioinspired 디자인을위한 프로토콜 : 접지 샘플러 성게 턱을 바탕으로

이 프로토콜의 목적은 아리스토텔레스의 랜턴인 성게의 입 구의 자연 구조를 조사하여 엔지니어링 분석을 사용하여 퇴적물 샘플링 프로토타입을 개발하여 생체 영감 설계에서 생물학적 특징의 적용을 테스트하는 것입니다. 이 방법은 바이오에서 영감을 받은 디자인 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 구체적으로 말하자면, 성게에서 용골 이빨 구조가 진화한 이유는 무엇이며, 퇴적물 샘플링에 어떻게 유용할 수 있는지.

이 기술의 주요 장점은 다양한 자연 구조에 대한 생체 영감 디자인 조사를 위한 일반적인 프레임워크를 제공한다는 것입니다. 다른 그러한 구조로는 해마 꼬리, 회양어의 scutes, 고슴도치 물고기의 척추가 있습니다. 이것의 의미는 기술적으로 광물 기둥이 바이오 스파 퇴적물 샘플러에 적합하여 약간의 샘플을 효율적으로 수집 할 수 있기 때문에 향상을 독점적 인 표면 노출로 만듭니다.

일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 각 생체 영감 프로토콜의 목표가 조사된 자연 구조의 유형에 따라 다르기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 성게를 해동한 후 이빨 끝을 위로 향하게 하여 해부합니다. 그리고 아리스토텔레스의 등불 둘레에 있는 결합 조직을 잘라내기 시작합니다.

그런 다음 랜턴을 조심스럽게 들어 올려 흐르는 증류수로 헹굽니다. 집게를 사용하여 바깥쪽의 잔여 조직을 제거하고 랜턴을 조심스럽게 열어 치아를 추출합니다. 또는 물로 다시 헹구는 마른 랜턴은 치아에 더 쉽게 접근할 수 있도록 떨어져 나갈 수 있습니다.

이제 치아를 집어 갓 준비한 에폭시 튜브에 조심스럽게 담그십시오. 구부러진 오목한 면을 위로 향하게 놓고 치아가 튜브 벽에 닿지 않도록 합니다. 그런 다음 에폭시를 실온에서 24시간 동안 경화시킵니다.

다음날, 단면 톱을 사용하여 치아 주위의 에폭시를 약 1입방 센티미터까지 제거합니다. 그런 다음 125 이상의 굵은 사포 조각으로 가벼운 압력을 사용하여 샘플을 한 방향으로 5 분 동안 문지릅니다. 점진적으로 더 미세하고 미세한 사포로 최대 2400까지 변경합니다.

각 사포 입자에 대해 샘플을 90도 회전해야 합니다. 필요에 따라 현미경을 사용하여 각 사포 입자에 대해 마찰이 항상 같은 방향인지 확인하십시오. 샌딩 후 50% 부피의 반 미크론 알루미늄 광택제를 물에 적셔 마이크로 천을 적십니다.

그런 다음 5분 동안 샘플을 앞뒤로 문지릅니다. 연마 후 입자가 없는 티슈 페이퍼를 사용하여 샘플을 닦아낸 다음 동일한 종이에 싸서 보관하십시오. 다음으로, 주사 전자 현미경을 사용하여 치아의 미세 구조를 특성화합니다.

스퍼터 코팅을 한 후 샘플의 250-500x 현미경 사진 이미지를 촬영합니다. 다음으로, 분홍색 성게와 갓 해부된 아리스토텔레스의 랜턴을 마이크로컴퓨터 단층 촬영 스캔으로 촬영합니다. 이미징 챔버에 있을 때 촉촉한 조직 위에 샘플을 놓습니다.

신체의 경우 100 피크 킬로전압 및 100밀리암페어에서 36미크론의 등방성 복셀 크기로 스캔합니다. 랜턴의 경우 70 피크 킬로전압 및 141밀리암페어에서 약 9미크론의 등방성 복셀 크기로 스캔합니다. 둘 다에 1포인트 0밀리미터 알루미늄 필터를 사용하십시오.

마이크로 CT 스캔과 CAD 모델링을 사용하여 높이 6cm, 지름 8cm의 곡선 이빨 5개를 가진 생체에서 영감을 받은 디자인을 제작했는데, 이는 자연 아리스토텔레스의 랜턴보다 5배 더 큰 닫힌 랜턴을 위한 것입니다. 생체 영감 턱의 각 구성 요소에 대해 3D 프린팅을 위한 STL 파일을 생성합니다. 먼저 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 플라스틱을 로드하고 플라스틱 재료 카트리지를 지지하여 3D 프린터를 준비합니다.

그런 다음 먼저 베이스의 탭을 트레이의 슬롯에 정렬하여 모델링 베이스를 z 플랫폼에 삽입합니다. 이제 STL 파일 파트를 열고 디스플레이 화면 단계에 따라 개별 랜턴 파트의 방향을 동시에 지정하고 인쇄합니다. 다음은 관절 팔을 3D 프린팅하는 예입니다.

파일을 인쇄한 후 탭에서 모델링 베이스를 분리하고 트레이 가이드를 따라 프린터에서 베이스를 밀어 냅니다. 그런 다음 금속 주걱을 사용하여 인쇄된 부품을 바닥에서 들어 올립니다. 분리되면 지지 플라스틱 재료가 용해될 때까지 인쇄된 부품을 가열된 베이스 수조에 넣습니다.

이제 양쪽에 있는 전자 고정 링을 사용하여 링크 로드가 있는 관절 암에 각 치아를 고정하고 바이오에서 영감을 받은 아리스토텔레스의 랜턴을 조립합니다. 생체 영감을 받은 치아에 대한 CAD 파일을 사용하여 유한 요소 모델링 응력 해석 테스트를 수행합니다. 먼저 파일을 엽니다.

새 연구를 시작합니다. 그리고 고정된 형상으로 정적 테스트를 실행하도록 선택합니다. 그런 다음 인터페이스를 클릭하여 핀이 들어갈 장착 구멍에 고정 장치를 추가합니다.

다음으로 외부 하중의 힘을 설정합니다. 톱니 연삭 팁 면을 클릭하여 가장자리에 45N의 힘을 가합니다. 이제 중력을 설정하십시오.

상단 평면 설정에서 중력이 평면에 정상적으로 적용되어야 함을 나타냅니다. 그런 다음 설계 표면에 메쉬를 작성하고 메쉬 밀도를 fine으로 설정합니다. 이제 테스트를 실행하여 용골이 있는 치아와 없는 치아를 비교합니다.

컬러 눈금은 응력이 가장 높은 영역을 보여줍니다. 성게 이빨과 아리스토텔레스의 랜턴에 대한 비침습적 이미징은 생체에서 영감을 받은 디자인을 만드는 데 중요한 역할을 했습니다. SEM에 의한 치아의 미세 구조에 대한 상세한 분석은 치아 연삭 팁에서 마그네슘이 풍부한 석재 부분의 구조적 중요성을 확인했습니다.

플레이트 및 섬유 1차 요소는 치아 연삭 팁의 가장 단단한 석재 영역에 있는 2차 요소의 매트릭스에 의해 함께 연결됩니다. 더 짙은 회색으로 표시된 더 단단한 돌 부분은 칼슘 원자를 대체하는 최대 40%의 마그네슘 원자로 구성되어 있습니다. 따라서 생체에서 영감을 받은 랜턴은 CAD 소프트웨어로 설계되고 3D 프린팅 및 조립되었습니다.

디자인의 궁극적인 목적은 모래를 모으는 것입니다. 설계에서 용골의 중요성은 CAD 설계에 대한 컴퓨터 스트레스 테스트를 사용하여 테스트되었습니다. 45 Newton이 가한 힘의 경우 용골 이빨 설계가 받는 최대 응력은 약 16% 적었습니다.

그러나 용골은 설계 질량에 4%만 추가합니다. 생체 모방 디자인 프로토콜을 시도할 때는 살아있는 형태의 자연 구조를 주의 깊게 관찰하거나 마이크로 CT 및 SEM과 같은 비침습적 특성화 방법을 사용하는 것부터 시작하는 것이 중요합니다. 일반적인 절차에 따라 다른 자연 구조에서 생체에서 영감을 받은 설계를 광범위한 엔지니어링 분야의 유용한 응용 프로그램에 구현할 수 있습니다.

마이클 포터(Michael Porter) 교수의 연구를 기반으로 한 마지막 생물 탐사 단계는 성게 이빨의 용골 구조의 기계적 이점을 정량화하기 위해 엔지니어링 분석 방법을 사용하는 데 특히 중요합니다.