Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van Sea Urchin Jaws
Summary
A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure.
Abstract
Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, known as the Aristotle’s lantern, is a compelling source of bioinspiration with an intricate network of musculature and calcareous teeth that can scrape, cut, chew food and bore holes into rocky substrates. We describe the bioinspiration process as including animal observation, specimen characterization, device fabrication and mechanism bioexploration. The last step of bioexploration allows for a deeper understanding of the initial biology. The design architecture of the Aristotle’s lantern is analyzed with micro-computed tomography and individual teeth are examined with scanning electron microscopy to identify the microstructure. Bioinspired designs are fabricated with a 3D printer, assembled and tested to determine the most efficient lantern opening and closing mechanism. Teeth from the bioinspired lantern design are bioexplored via finite element analysis to explain from a mechanical perspective why keeled tooth structures evolved in the modern sea urchins we observed. This circular approach allows for new conclusions to be drawn from biology and nature.
Introduction
Het gebied van biologie, biologische materialen wetenschap, biomaterialen, biotechnologie en biochemie gebruik van de première wetenschappelijke technieken en geesten in een poging om een dieper begrip van de ongelooflijke natuurlijke wereld te bieden. Dit onderzoek heeft een groot aantal van de meest verbazingwekkende biologische structuren en organismen uitgelegd; van de intrinsieke taaiheid van menselijk bot 1,2 op de grote snavel van de toekan 3. Een groot deel van deze kennis is moeilijk te gebruiken op een manier die een voordeel kan bieden aan de samenleving. Als gevolg hiervan, de tangentiële gebied van bioinspiration maakt gebruik van de lessen die uit de natuur om moderne materialen om gemeenschappelijke problemen op te lossen. Voorbeelden hiervan zijn superhydrophobic oppervlakken geïnspireerd door lotusbloembladeren 4-6, lijm oppervlakken geïnspireerd op de voeten van gekko's en insecten 7,8, taai keramiek geïnspireerd door de parelmoer abalone 9-11 en biopsie harvesters geïnspireerd door het mondstuk van de zee-egel, ook wetenn als Aristoteles lantaarn 12,13.
Zee-egels zijn ongewervelde dieren bedekt met stekels wiens leefgebied meestal bestaat uit de rotsachtige bedden op de oceaanbodem. Het lichaam (een zogenaamde test) in de grootste urchin soort kan meer dan 18 cm in doorsnede; -test formaat in roze zee-egels (Strongylocentrotus fragilis) in deze studie onderzocht kan groeien tot 10 cm diameter. De Aristoteles lantaarn bestaat uit vijf voornamelijk calciumcarbonaat tanden ondersteund door piramidestructuren uit gemineraliseerd weefsel en gerangschikt in een formatie koepelachtige alle omsluiten maar het slijpen distale uiteinden van de tanden (Figuur 1A).
De spier structuur van de kaken in staat is om efficiënt kauwen en schrapen zelfs tegen harde oceaan rotsen en koralen. Wanneer de kaken open is, de tanden uitsteken naar buiten en wanneer de kaken in de buurt, de tanden te trekken naar binnen in één vloeiende beweging. Vergelijking tussen primitive (boven) en moderne (hieronder) zee-egel tand doorsneden (figuur 1B) geeft aan dat een keeled tand geëvolueerd om de tand te versterken bij het slijpen tegen harde substraten. Elke individuele tand enigszins convexe kromming en een T-vormige morfologie in het horizontale vlak (loodrecht op de groeirichting) als gevolg van de in langsrichting vaste kiel (Figuur 1C, D).
Bioinspiration begint met het observeren van interessante natuurlijke fenomenen, zoals de efficiënte kauwen beweging van de lantaarn van Aristoteles in de zee-egels. Deze natuurlijke structuur in eerste instantie in de ban van Aristoteles, omdat het hem deed denken aan een hoorn lantaarn met de ruiten van hoorn weggelaten. Meer dan twee millennia later, Scarpa was gefascineerd door de complexiteit van de lantaarn van Aristoteles dat hij en later Trogu nagebootst van de natuurlijke kauwen beweging met behulp van alleen papier en elastiekjes (Figuur 2A) 15,16. Evenzo Jelinek werd bioinspired de chouwen beweging van de lantaarn van Aristoteles en ontwikkelde een beter biopsie oogstmachine die veilig tumorweefsel zonder verspreiden kankercellen (figuur 2B, C) 12,13 kan isoleren. In dit geval werd bioinspired ontwerp gebruikt om een biomedische inrichting die een specifieke behoefte aan een gewenste toepassing te passen.
Het ontwerp-protocol hier beschreven is van toepassing op een sediment sampler bioinspired door zee-egels. Door middel van biologische materialen wetenschap, wordt de natuurlijke structuur van de lantaarn Aristoteles 'gekarakteriseerd. Bioinspired ontwerp identificeert potentiële toepassingen waar de natuurlijke mechanismen kan worden verbeterd door het gebruik van moderne materialen en fabricagetechnieken. Het uiteindelijke ontwerp is opnieuw onderzocht door het prisma van bioexploration te begrijpen hoe de natuurlijke tand structuur geëvolueerd (Figuur 3). De laatste bioexploration stap, door Porter 17,18 voorgesteld, maakt gebruik van technische analyse methoden om explore en uitleggen biologische verschijnselen. Alle belangrijke stappen van de werkwijze bioinspiration worden gepresenteerd als een voorbeeld voor het benutten technologie, vooraf goedgekeurde aard, die kan worden gebruikt voor het oplossen moderne problemen. Ons protocol, gemotiveerd door de vorige bioinspiration procedures gepresenteerd voor specifieke toepassingen door Arzt 7, is bedoeld voor biologen, ingenieurs en iedereen die is geïnspireerd door de natuur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zee-egels gebruik maken van de Aristoteles lantaarn (Figuur 1A) voor een verscheidenheid aan functies (voeding, saai, zwenken, etc.). Het fossiele verslag wijst erop dat de lantaarn in vorm en functie is voortgekomen uit de meest primitieve cidaroid type om de camarodont soort moderne zee-egels 14. Cidaroid lantaarns zijn langsrichting gegroefde tanden (Figuur 1B, boven) en niet-gescheiden spieraanhechting zijn piramidestructuur. Dit beperkt hun op en neer bewegen en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle’s lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.
Materials
| BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 | Buehler | 305308600102 | Abrasive paper for polishing |
| TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA | Buehler | 407518 | Polish cloth for 3 um suspension |
| METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC | Buehler | 406631 | Polish suspension (3 um) |
| MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA | Buehler | 407218 | Polish cloth for 50 nm suspension |
| MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ | Buehler | 636377006 | Polish suspension (50 nm) |
| Skyscan 1076 micro-CT Scanner | Bruker | Micro-CT scanner equipment | |
| Amira software | FEI Visualization Sciences Group | Software for 3D manipulation of Micro-CT scans | |
| FEI Philips XL30 | FEI Philips | ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections | |
| SolidWorks Design software | Dassault Systems | Design software for CAD drawing bioinspired device | |
| SolidWorks Simulation software | Dassault Systems | Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device | |
| Dimension 1200es | Stratasys | 3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing | |
| ABSplus | Stratasys | 3D printer plastic |
References
- Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?. Bone. 34 (5), 790-798 (2004).
- Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).
- Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).
- Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
- Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).
- Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).
- Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).
- Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).
- Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Tough, bio-inspired hybrid materials. Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).
- Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).
- Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).
- Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8 (1), 015002 (2014).
- Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility. J. Med. Devices. 8 (4), 041009 (2014).
- Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).
- Scarpa, G. . Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , (1985).
- Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. , (2014).
- Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails. , (2015).
- Porter, M. M. . Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , (2014).
- De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , (1982).
- Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).
- Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).
- Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function. Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).
- Ma, Y., et al. The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).
- Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).
- Andrietti, F., MD, C. a. r. n. e. v. a. l. i. . C. a. n. d. i. a., Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus. J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).
- Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
- Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. The Aristotle’s lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system. Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).
- Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea). J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).
- Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509 (7500), 272 (2014).
