Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców
24 kwietnia 2016
Protokół dla projektowania inspirowanego biologicznie jest opisany dla urządzenia do pobierania próbek opartego na szczękach jeżowca. Proces bioinspiracji obejmuje obserwację jeżowców, charakterystykę ustnika, drukowanie 3D zębów i ich montaż oraz bioeksplorację struktury zębów.
Celem tego protokołu jest zbadanie naturalnej struktury ustnika jeżowca, latarni Arystotelesa, w celu opracowania prototypu pobierania próbek osadów przy użyciu analizy inżynieryjnej w celu przetestowania zastosowania cech biologicznych w projektach inspirowanych biologią. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie projektowania inspirowanego biologią. W szczególności, dlaczego struktura zębów stępkowych wyewoluowała u jeżowców i jak może być przydatna do pobierania próbek osadów.
Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona ogólne ramy dla inspirowanych biologią badań projektowych różnych naturalnych struktur. Inne takie struktury to ogon konika morskiego, łuski bukszpanu i kolce jeżozwierza. Implikacje tego technicznie sprawiają, że ulepszenie jest zastrzeżoną ekspololizacją powierzchni, ponieważ słupy mineralne są wyposażone w próbniki osadów bio-spar, które mogą skutecznie zbierać małe próbki.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały trudności, ponieważ cele dla każdego protokołu inspirowanego biologią będą się różnić w zależności od rodzaju badanej naturalnej struktury. Po rozmrożeniu jeżowca ustaw go do sekcji z czubkami zębów skierowanymi do góry. I zacznij wycinać tkankę łączną na obwodzie latarni Arystotelesa.
Następnie ostrożnie wyjmij latarnię i spłucz ją bieżącą wodą destylowaną. Użyj kleszczy, aby usunąć resztki tkanki na zewnątrz i ostrożnie otwórz latarnię, aby usunąć zęby. Alternatywnie, wysuszona latarnia, która zostanie ponownie spłukana wodą, rozpadnie się, aby umożliwić łatwiejszy dostęp do zębów.
Teraz podnieś ząb i ostrożnie zanurz go w tubce ze świeżo przygotowaną żywicą epoksydową. Ustaw zakrzywioną wklęsłą stronę skierowaną do góry i nie pozwól, aby ząb dotykał ścianki rurki. Następnie pozwól żywicy epoksydowej utwardzić się w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
Następnego dnia użyj piły do cięcia, aby usunąć żywicę epoksydową wokół zęba do około jednego centymetra sześciennego. Następnie kawałkiem grubego papieru ściernego o numerze 125 lub wyższym i lekkim naciskiem pocieraj próbkę w jednym kierunku przez pięć minut. Stopniowo zmieniaj papiery ścierne na coraz drobniejsze ziarna, aż do liczby 2400.
Dla każdej ziarnistości papieru ściernego należy obrócić próbkę o 90 stopni. W razie potrzeby użyj mikroskopu, aby sprawdzić, czy tarcie odbywa się zawsze w tym samym kierunku dla każdego ziarna papieru ściernego. Po szlifowaniu zwilż mikrościereczkę polerowaniem z glininy o grubości 50 procent objętości i pół mikrona w wodzie.
Następnie pocieraj próbkę ruchami w przód iw tył przez pięć minut. Po wypolerowaniu użyj bibuły wolnej od cząstek, aby oczyścić próbkę, a następnie zawiń ją w ten sam papier do przechowywania. Następnie scharakteryzuj mikrostrukturę zęba za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.
Po nałożeniu warstwy napylającej należy wykonać od 250 do 500 zdjęć mikrograficznych próbki. Następnie wykonaj skany tomografii mikrokomputerowej całego różowego jeżowca i świeżo wypreparowanej latarni Arystotelesa. Umieść próbki na zwilżonej tkance w komorze obrazowania.
W przypadku ciała skanuj z izotropowym rozmiarem woksela 36 mikronów przy 100 kilonapięciu szczytowym i 100 miliamperach. W przypadku latarni skanuj z izotropowym rozmiarem woksela około dziewięciu mikronów przy 70 kilonapięciu szczytowym i 141 miliamperach. Użyj jednopunktowego filtra aluminiowego o zerowym milimetrze do obu.
Korzystając z mikrotomografii komputerowej i modelowania CAD, stworzono inspirowany biologią projekt z pięcioma zakrzywionymi zębami o wysokości sześciu centymetrów i średnicy ośmiu centymetrów dla zamkniętej latarni, która jest pięć razy większa niż naturalna latarnia Arystotelesa. Dla każdego elementu szczęki inspirowanej biologią utwórz pliki STL do druku 3D. Przygotuj drukarkę 3D, najpierw ładując tworzywo sztuczne akrylonitryl-butadien-styren i podporowe wkłady z tworzywa sztucznego.
Następnie włóż podstawę modelarską do platformy z, najpierw wyrównując wypustki na podstawie ze szczelinami w tacy. Teraz otwórz części pliku STL i postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie wyświetlacza, aby jednocześnie zorientować i wydrukować poszczególne części latarni. Pokazano tutaj przykład drukowania 3D ramienia przegubowego.
Po wydrukowaniu plików zwolnij podstawę modelarską z zaczepów i wysuń podstawę z drukarki wzdłuż prowadnic tacy. Następnie użyj metalowej szpatułki, aby podważyć wydrukowane części z podstawy. Po odłączeniu umieść wydrukowane części w podgrzewanej kąpieli podstawowej, aż plastikowy materiał nośny się rozpuści.
Teraz przymocuj każdy ząb do ramienia stawu za pomocą pręta łączącego za pomocą pierścieni ustalających e po obu stronach i zmontuj inspirowaną biologicznie latarnię Arystotelesa. Korzystając z pliku CAD dla zęba inspirowanego biologią, wykonaj test analizy naprężeń modelowania metodą elementów skończonych. Najpierw otwórz plik.
Rozpocznij nowe badanie. I wybierz uruchomienie testu statycznego ze stałą geometrią. Następnie kliknij interfejsy, aby dodać osprzęt do otworów montażowych, w których będą znajdować się kołki.
Następnie ustaw siłę obciążeń zewnętrznych. Kliknij powierzchnie końcówki do szlifowania zębów, aby przyłożyć siłę 45 niutonów do krawędzi. Teraz ustaw grawitację.
W ustawieniu górnej płaszczyzny wskaż to, że siła grawitacji powinna być przyłożona normalnie do płaszczyzny. Następnie utwórz siatkę na powierzchni projektowej i ustaw gęstość siatki na dokładną. Teraz uruchom test, aby porównać ząb z kilem i bez niego.
Kolorowa skala pokaże obszary o największym obciążeniu. Nieinwazyjne obrazowanie zęba jeżowca i latarni Arystotelesa odegrało zasadniczą rolę w stworzeniu projektu inspirowanego biologią. Szczegółowa analiza mikrostruktury zęba przez SEM potwierdziła strukturalne znaczenie wzbogaconej magnezem części kamiennej w końcówce szlifierskiej zęba.
Pierwiastki pierwotne płytki i włókna są połączone ze sobą matrycą elementów drugorzędnych w najtwardszym obszarze kamienia końcówki szlifierskiej zęba. Twardsza część kamienia pokazana w ciemniejszym kolorze szarym składa się z maksymalnie 40 procent atomów magnezu, które zastępują atomy wapnia. W ten sposób inspirowana biologią latarnia została zaprojektowana za pomocą oprogramowania CAD, wydrukowana w 3D i zmontowana.
Ostatecznym celem projektu jest zbieranie piasku. Znaczenie stępki w projekcie zostało sprawdzone za pomocą komputerowych testów naprężeń na projekcie CAD. W przypadku przyłożonej siły 45 niutonów maksymalne naprężenie doświadczane przez konstrukcję zęba stępkowego było o około 16 procent mniejsze.
Jednak stępka dodaje tylko cztery procent do masy projektu. Próbując opracować protokół projektowania inspirowanego biologią, ważne jest, aby zacząć od uważnej obserwacji naturalnej struktury w jej żywej formie lub poprzez zastosowanie nieinwazyjnych metod charakteryzacji, takich jak mikro CT i SEM. Zgodnie z ogólną procedurą, inspirowane biologią projekty z innych naturalnych struktur mogą być wdrażane w użytecznych zastosowaniach w wielu dziedzinach inżynierii.
Ostatni etap badań biologicznych, oparty na pracy profesora Michaela Portera, jest szczególnie istotny dla wykorzystania metod analizy inżynierskiej do ilościowego określenia mechanicznej przewagi struktury stępki w zębie jeżowca.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół opracowania bioinspirowanego urządzenia do pobierania próbek osadów, stworzonego na wzór szczęk jeżowca. Badanie analizuje naturalną strukturę aparatu gębowego jeżowca, znanego jako latarnia Arystotelesa, w celu zastosowania tych rozwiązań w inżynierii.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Projektowanie bioinspirowane
- Analiza inżynieryjna
- Struktury naturalne
Wstęp
- Analizuje ewolucję budowy zęba z grzebieniem u jeżowców.
- Bada użyteczność cech biologicznych w zastosowaniach projektowych.
- Zapewnia ramy do badania różnych struktur naturalnych.
- Obejmuje przykłady takie jak ogon konika morskiego i łuski ryby skrzynki.
Cel badania
- Opracowanie prototypu do pobierania próbek osadów w oparciu o inspirację biologiczną.
- Zrozumienie zalet ewolucyjnych struktury zębów jeżowca.
- Usprawnienie technik pobierania próbek osadów przy użyciu projektów bionicznych.
Zastosowane metody
- Obserwacja jeżowców i charakterystyka ich aparatu gębowego.
- Druk 3D struktury zębowej w celu opracowania prototypu.
- Montaż urządzenia do pobierania próbek w oparciu o cechy biologiczne.
- Analiza inżynieryjna w celu przetestowania skuteczności prototypu.
Główne wyniki
- Wykazano możliwość zastosowania projektów inspirowanych biologicznie do pobierania próbek osadów.
- Przedstawiono analizę funkcjonalnych zalet budowy zębów jeżowca.
- Ustanowiono ogólne ramy dla przyszłych badań nad projektowaniem inspirowanym biologicznie.
- Podkreślono wysoką wydajność opracowanego urządzenia do pobierania próbek.
Wnioski
- Badanie z sukcesem integruje spostrzeżenia biologiczne z zastosowaniami inżynieryjnymi.
- Projektowanie inspirowane biologicznie może zwiększyć efektywność technik pobierania próbek osadów.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć wykorzystanie różnorodnych struktur naturalnych w celu tworzenia innowacyjnych projektów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Projektowanie bioinspirowane oferuje strategiczną ścieżkę ograniczania ryzyka we wczesnych etapach badań i rozwoju (B+R) poprzez wykorzystanie zweryfikowanych mechanizmów biologicznych do opracowania rozwiązań inżynieryjnych. Niniejszy protokół demonstruje, w jaki sposób struktury naturalne, takie jak aparat żucia (tzw. latarnia Arystotelesa) jeżowca, mogą być systematycznie analizowane i przekształcane w funkcjonalne prototypy, co pozwala zmniejszyć niepewność w procesie walidacji celów i opracowywania analiz. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w identyfikacji wiodących kandydatów poprzez ustanowienie mechanistycznych powiązań między formą biologiczną a wydajnością inżynieryjną.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez analizę strukturalną ewoluowanych systemów biologicznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne ramy charakteryzacji naturalnych mechanizmów, które pomagają w ograniczaniu ryzyka związanego z wyborem celu.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfelu poprzez kwantyfikację zalet funkcjonalnych wyewoluowanych cech, takich jak redukcja naprężeń w konstrukcjach zębów z kilem.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Ułatwia przygotowanie zwalidowanych analogów biologicznych do późniejszych zastosowań w badaniach przesiewowych.
- Wartość operacyjna: Sprzyja standaryzacji analizy dzięki ujednoliconym protokołom wytwarzania i testowania.
- Skalowalność: Wspiera ponowne wykorzystanie platformy poprzez modelowanie CAD i druk 3D komponentów bioinspirowanych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy etapy odkryć i badań przedklinicznych poprzez walidację spostrzeżeń biologicznych za pomocą analizy inżynieryjnej.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Wykorzystuje analizę elementów skończonych do wyjaśnienia adaptacji ewolucyjnych, zmniejszając niepewność w zakresie mechanizmu celu.
- Dostrojenie biomarkerów: Łączy cechy strukturalne z wynikami funkcjonalnymi, wspierając projektowanie testów istotnych dla biomarkerów.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć – od walidacji celu po identyfikację wiodących związków – gdzie spostrzeżenia biologiczne są przekształcane w testowalne prototypy inżynieryjne. Umożliwia ona iteracyjne udoskonalanie projektów w oparciu o dane dotyczące wydajności mechanicznej, wspierając podejmowanie świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go).
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez analizę strukturalną i mechaniczną systemów naturalnych.
- Przesiewanie: Zwiększa gotowość testów dzięki standaryzowanemu, powtarzalnemu prototypowaniu urządzeń inspirowanych biologicznie.
- Analityka: Generuje ilościowe wskaźniki naprężeń i wydajności, które umożliwiają porównawczą ocenę wariantów konstrukcyjnych.
- Badania translacyjne: Łączy zrozumienie mechanizmów z ciągłością przedkliniczną poprzez zwalidowane zależności struktura-funkcja.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy modułowe, skalowalne ramy stosowalne w odniesieniu do wielu celów naturalnych i wyzwań inżynieryjnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez zmniejszenie niejednoznaczności mechanistycznej dzięki analizie inżynieryjnej.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację w procesach prototypowania pomiędzy zespołami.
- Wartość strategiczna: Zwiększa efektywność kapitałową poprzez umożliwienie wczesnego ograniczania ryzyka związanych z celami biologicznymi przed dokonaniem znaczących inwestycji.
- Wpływ na portfolio: Pomaga w podejmowaniu decyzji o dalszym rozwoju skorygowanych o ryzyko poprzez powiązanie cech biologicznych z mierzalnymi wynikami wydajności.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie przygotowania preparatów biologicznych, obrazowania (mikro-CT, SEM) oraz modelowania w systemach CAD.
- Zależne od dostępu do infrastruktury druku 3D oraz możliwości w dziedzinie nauki o materiałach w celu tworzenia prototypów.
- Konieczność wprowadzenia interdyscyplinarnej standaryzacji pomiędzy zespołami z obszaru biologii, inżynierii i analizy danych.
- Obejmuje kwestie adaptacyjne przy przenoszeniu mechanizmów między różnymi systemami modelowymi lub skalami.
- Ograniczone przez dostępność i jakość naturalnych okazów wykorzystywanych do charakterystyki i walidacji.
