Протокол для биоинспирированных Design: A Цокольный пробоотборник на основе морского ежа Челюсти

Целью данного протокола является изучение естественной структуры мундштука морского ежа, фонаря Аристотеля, для разработки прототипа отбора проб отложений с использованием инженерного анализа для проверки применения биологических особенностей в био-вдохновленных конструкциях. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области био-инспирированного дизайна. В частности, почему у морских ежей развилась структура килевидных зубов и как она может быть полезна для отбора проб из отложений.

Основное преимущество этого метода заключается в том, что он обеспечивает общую основу для биоинспирированных проектных исследований различных природных структур. Другие подобные структуры включают хвост морского конька, щитки рыбы-коробочки и шипы рыбы-дикобраза. Последствия этого технически делают усовершенствование запатентованным поверхностным исследованием, потому что минеральные полюса подходят для отбора проб осадочных пород с биошпатом, которые могут эффективно собирать небольшое количество образцов.

Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, испытывают трудности, потому что цели каждого биоинспирированного протокола будут варьироваться в зависимости от типа исследуемой естественной структуры. После размораживания морского ежа установите его на вскрытие кончиками зубьев, заостренными вверх. И начать отрезать соединительную ткань по периметру аристотелевского фонаря.

Затем осторожно достаньте фонарь и промойте его проточной дистиллированной водой. С помощью щипцов удалите остатки ткани снаружи и осторожно откройте фонарь, чтобы извлечь зубы. В качестве альтернативы, высохший фонарь, который снова смоть водой, развалится, чтобы обеспечить более легкий доступ к зубам.

Теперь возьмите зуб и осторожно погрузите его в тюбик со свежеприготовленной эпоксидной смолой. Расположите изогнутую вогнутую сторону вверх и не позволяйте зубу касаться стенки трубки. Затем дайте эпоксидной смоле затвердеть при комнатной температуре в течение 24 часов.

На следующий день с помощью отрезной пилы удалите эпоксидную смолу вокруг зуба примерно до одного кубического сантиметра. Затем куском грубой наждачной бумаги под номером 125 или выше и с помощью легкого нажима растираем образец в одном направлении в течение пяти минут. Постепенно переходите на наждачную бумагу с более мелкой зернистостью, вплоть до числа 2400.

Для каждой зернистости наждачной бумаги обязательно поверните образец на 90 градусов. При необходимости используйте микроскоп, чтобы убедиться, что трение всегда происходит в одном и том же направлении для каждой зернистости наждачной бумаги. После шлифовки смочите микроткань полировкой алюминия размером 50 процентов по объему в полмикрона в воде.

Затем растирайте образец вперед и назад в течение пяти минут. После полировки используйте папиросную бумагу без частиц, чтобы очистить образец, а затем заверните его в ту же бумагу для хранения. Далее охарактеризуйте микроструктуру зуба с помощью сканирующей электронной микроскопии.

После нанесения слоя распыления сделайте микрофотографию образца с 250 до 500 крат. Затем возьмем микрокомпьютерную томографию всего розового морского ежа и только что препарированного аристотелевского фонаря. Поместите образцы на увлажненную ткань, находясь в камере визуализации.

Для тела необходимо провести сканирование с изотропным вокселем размером 36 мкм при пиковом напряжении 100 киловольт и 100 миллиамперах. Для фонаря необходимо сканировать изотропный воксель размером около девяти микрон при пиковом напряжении 70 киловольт и 141 миллиампере. Используйте алюминиевый фильтр с точностью до нуля миллиметров для обоих.

С помощью микрокомпьютерной томографии и моделирования САПР был создан био-вдохновленный дизайн с пятью изогнутыми зубьями высотой шесть сантиметров и диаметром восемь сантиметров для закрытого фонаря, который в пять раз больше, чем естественный фонарь Аристотеля. Для каждого компонента челюсти, вдохновленной биологией, изготовьте STL-файлы для 3D-печати. Подготовьте 3D-принтер, загрузив сначала акрилонитрилбутадиенстирол, пластик и картриджи из пластиковых материалов.

Затем вставьте основание для моделирования на платформу Z, сначала совместив выступы на основании с прорезями в лотке. Теперь откройте детали файла STL и следуйте инструкциям на экране дисплея, чтобы одновременно ориентировать и распечатать отдельные части фонаря. Здесь показан пример 3D-печати суставной руки.

После печати файлов освободите основу для моделирования от выступов и выдвиньте основу из принтера по направляющим лотка. Затем с помощью металлического шпателя подденьте напечатанные детали от основания. После отсоединения поместите напечатанные детали в ванну с подогревом до тех пор, пока опорный пластиковый материал не растворится.

Теперь закрепите каждый зуб на соединительном рычаге с помощью стержня с помощью электронных удерживающих колец с обеих сторон и соберите фонарь Аристотеля, вдохновленный биологией. Используя файл CAD для зуба с биологической инспирацией, выполните испытание методом конечных элементов для анализа нагрузки. Сначала откройте файл.

Начните новое исследование. И выберите запуск статического теста с фиксированной геометрией. Затем нажмите на интерфейсы, чтобы добавить приспособления к монтажным отверстиям, куда будут вставлены контакты.

Далее задайте силу внешних нагрузок. Нажмите на грани шлифовального наконечника зуба, чтобы приложить к краям усилие 45 Ньютон. Теперь установите гравитацию.

Укажите в настройках верхней плоскости, что сила тяжести должна быть приложена к плоскости нормально. Затем создайте сетку на поверхности конструктора и установите плотность сетки на тонкую. Теперь проведите тест, чтобы сравнить зуб с килем и без него.

Цветная шкала покажет области наибольшего напряжения. Неинвазивная визуализация зуба морского ежа и фонаря Аристотеля сыграла важную роль в создании дизайна, вдохновленного биологией. Детальный анализ микроструктуры зуба методом СЭМ подтвердил структурное значение каменной части, обогащенной магнием, в кончике шлифовального зуба.

Первичные элементы пластины и волокна соединены между собой матрицей вторичных элементов в самой твердой каменной области наконечника для шлифовки зуба. Более твердая каменная часть, показанная более темно-серым цветом, состоит на 40 процентов из атомов магния, которые заменяют атомы кальция. Таким образом, фонарь, вдохновленный биологией, был разработан с помощью программного обеспечения CAD, напечатан и собран на 3D-принтере.

Конечной целью конструкции является сбор песка. Важность киля в конструкции была проверена с помощью компьютерных стресс-тестов на конструкции CAD. При приложенной силе 45 Ньютон максимальное напряжение, испытываемое килеватым зубом, было примерно на 16 процентов меньше.

Однако киль добавляет всего четыре процента к массе конструкции. При попытке создания биоинструктивного протокола дизайна важно начать с тщательного наблюдения за естественной структурой в ее живой форме или с использованием неинвазивных методов характеризации, таких как микрокомпьютерная томография и СЭМ. Следуя общей процедуре, биовдохновленные проекты из других природных структур могут быть реализованы в полезных приложениях в широком спектре инженерных областей.

Заключительный этап биоисследования, основанный на работе профессора Майкла Портера, особенно важен для использования методов инженерного анализа для количественной оценки механических преимуществ килевой структуры в зубе морского ежа.