Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em Sea Urchin Jaws

O objetivo deste protocolo é examinar a estrutura natural do bocal do ouriço-do-mar, a lanterna de Aristóteles, para desenvolver um protótipo de amostragem de sedimentos usando análise de engenharia para testar a aplicação de características biológicas em projetos bio-inspirados. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo do design bioinspirado. Especificamente, por que uma estrutura de dente quilhado evoluiu em ouriços-do-mar e como ela pode ser útil para amostragem de sedimentos.

A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece uma estrutura geral para investigações de design bio-inspiradas de várias estruturas naturais. Outras estruturas incluem a cauda do cavalo-marinho, os escudos do peixe-caixa e os espinhos do peixe-porco-espinho. As implicações disso tecnicamente tornam o aprimoramento uma exposição de superfície proprietária porque os postes minerais são equipados com amostradores de sedimentos de bio-longarina que podem coletar com eficiência algumas amostras.

Geralmente, os indivíduos novos neste método terão dificuldades porque os objetivos de cada protocolo bioinspirado variam dependendo do tipo de estrutura natural examinada. Depois de descongelar o ouriço-do-mar, prepare-o para a dissecção com as pontas dos dentes apontadas para cima. E comece a cortar o tecido conjuntivo ao redor do perímetro da lanterna de Aristóteles.

Em seguida, retire cuidadosamente a lanterna e enxágue-a com água destilada corrente. Use uma pinça para remover o tecido remanescente do lado de fora e abra cuidadosamente a lanterna para extrair os dentes. Alternativamente, uma lanterna seca que é enxaguada novamente com água se desfará para permitir um acesso mais fácil aos dentes.

Agora, pegue um dente e mergulhe-o cuidadosamente em um tubo de epóxi recém-preparado. Posicione o lado côncavo curvo voltado para cima e não deixe o dente tocar a parede do tubo. Em seguida, deixe o epóxi curar em temperatura ambiente por 24 horas.

No dia seguinte, use uma serra de corte para remover o epóxi ao redor do dente até cerca de um centímetro cúbico. Em seguida, com um pedaço de lixa grossa número 125 ou superior e usando uma leve pressão, esfregue a amostra em uma direção por cinco minutos. Mude progressivamente para lixas de grão cada vez mais fino, até o número 2400.

Para cada grão de lixa, certifique-se de girar a amostra 90 graus. Use um microscópio conforme necessário para verificar se a fricção está sempre na mesma direção para cada grão de lixa. Após o lixamento, umedeça um micropano com um polidor de aluminina de meio mícron a 50% em volume em água.

Em seguida, esfregue a amostra em um movimento para frente e para trás por cinco minutos. Após o polimento, use papel de seda sem partículas para limpar a amostra e, em seguida, embrulhe-a no mesmo papel para armazenamento. Em seguida, caracterize a microestrutura do dente usando microscopia eletrônica de varredura.

Depois de aplicar uma camada de pulverização catódica, tire imagens de micrografia de 250 a 500x da amostra. Em seguida, faça tomografias microcomputadorizadas de todo o ouriço-do-mar rosa e da lanterna de Aristóteles recém-dissecada. Coloque as amostras sobre um tecido umedecido quando estiver na câmara de imagem.

Para o corpo, faça a varredura com um tamanho de voxel isotrópico de 36 mícrons a 100 quilovoltagem de pico e 100 miliamperes. Para a lanterna, faça a varredura com um tamanho de voxel isotrópico de cerca de nove mícrons a 70 quilovoltagem de pico e 141 miliamperes. Use um filtro de alumínio de um ponto zero milímetro para ambos.

Usando microtomografias computadorizadas e modelagem CAD, um design bio-inspirado foi produzido com cinco dentes curvos com uma altura de seis centímetros e um diâmetro de oito centímetros para a lanterna fechada, que é cinco vezes maior que a lanterna natural de Aristóteles. Para cada componente da mandíbula bio-inspirada, produza arquivos STL para impressão 3D. Prepare a impressora 3D carregando primeiro plástico de acrilonitrila butadieno estireno e suporte cartuchos de material plástico.

Em seguida, insira a base de modelagem na plataforma z alinhando primeiro as abas na base com os slots na bandeja. Agora abra as partes do arquivo STL e siga as etapas da tela de exibição para orientar e imprimir peças individuais da lanterna ao mesmo tempo. Aqui é mostrado um exemplo de impressão 3D de um braço de articulação.

Depois de imprimir os arquivos, solte a base de modelagem das guias e deslize a base para fora da impressora ao longo das guias da bandeja. Em seguida, use uma espátula de metal para retirar as peças impressas da base. Uma vez destacadas, coloque as peças impressas em um banho de base aquecido até que o material plástico de suporte se dissolva.

Agora, prenda cada dente a um braço articulado com uma haste de ligação usando anéis de retenção eletrônicos em ambos os lados e monte a lanterna de Aristóteles bioinspirada. Usando o arquivo CAD para o dente bio-inspirado, execute um teste de análise de tensão de modelagem de elementos finitos. Primeiro, abra o arquivo.

Comece um novo estudo. E opte por executar um teste estático com uma geometria fixa. Em seguida, clique nas interfaces para adicionar acessórios aos orifícios de montagem onde os pinos irão.

Em seguida, defina a força das cargas externas. Clique nas faces da ponta de moagem de dentes para aplicar uma força de 45 Newton nas bordas. Agora, defina a gravidade.

Indique na configuração do plano superior que a força da gravidade deve ser aplicada normalmente ao plano. Em seguida, crie uma malha na superfície de design e defina a densidade da malha como fina. Agora, execute o teste para comparar entre um dente com e sem a quilha.

Uma escala colorida mostrará as áreas de maior estresse. Imagens não invasivas do dente do ouriço-do-mar e da lanterna de Aristóteles foram fundamentais para produzir um design bio-inspirado. A análise detalhada da microestrutura do dente por MEV confirmou a importância estrutural da parte de pedra enriquecida com magnésio na ponta de ranger o dente.

Os elementos primários da placa e da fibra são conectados entre si por uma matriz de elementos secundários na região de pedra mais dura da ponta de moagem do dente. A porção de pedra mais dura mostrada em cinza mais escuro é composta por até 40% de átomos de magnésio que substituem os átomos de cálcio. Assim, a lanterna bio-inspirada foi projetada com software CAD, impressa e montada em 3D.

O objetivo final do projeto é coletar areia. A importância da quilha no projeto foi testada usando testes de estresse computadorizados no projeto CAD. Para 45 Newton aplicou força, a tensão máxima experimentada pelo projeto do dente quilhado foi cerca de 16% menor.

No entanto, a quilha adiciona apenas quatro por cento à massa do projeto. Ao tentar um protocolo de design bioinspirado, é importante começar com uma observação cuidadosa da estrutura natural em sua forma viva ou por meio do uso de métodos de caracterização não invasivos, como micro CT e SEM. Seguindo o procedimento geral, projetos bioinspirados de outras estruturas naturais podem ser implementados em aplicações úteis em uma ampla gama de campos de engenharia.

A etapa final de bioexploração, baseada no trabalho do professor Michael Porter, é especialmente essencial para o uso de métodos de análise de engenharia para quantificar a vantagem mecânica da estrutura da quilha no dente do ouriço-do-mar.