Introduction
Os campos da biologia, ciência dos materiais biológicos, biomateriais, bioengenharia e bioquímica empregar as técnicas científicas de estréia e mentes em uma tentativa de fornecer uma compreensão mais profunda da incrível mundo natural. Esta pesquisa tem explicado muitas das estruturas biológicas mais surpreendentes e organismos; da resistência intrínseca do osso humano 1,2 ao grande bico do tucano 3. No entanto, grande parte desse conhecimento é difícil empregar de um modo que pode fornecer um benefício para a sociedade. Como resultado, o campo tangencial do Bioinspiration emprega as lições aprendidas com a natureza para materiais modernos, a fim de resolver problemas comuns. Exemplos incluem superfícies hidrofóbicas inspirados em folhas de lótus 4-6, superfícies adesivas inspirados pelos pés de lagartixas e insectos 7,8, cerâmica difíceis inspirados pelo nácar de abalone 9-11 e colheitadeiras biópsia inspirados pelo bocal do ouriço-do-mar, também conhecern como lanterna de Aristóteles 12,13.
ouriços-do-mar são animais invertebrados cobertas com espinhos cujo habitat mais comum consiste nas camas rochosos no fundo do oceano. O corpo (chamado de teste) em espécie a maior Urchin pode ser superior a 18 cm de diâmetro; tamanho de teste em ouriços do mar-de-rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinou neste estudo pode crescer até 10 cm de diâmetro. Lanterna de Aristóteles é composto por cinco dentes de carbonato de cálcio predominantemente suportados por estruturas em pirâmide compostas de tecido mineralizado e arranjados em uma formação de cúpula como que encerram todos, mas as dicas de moagem distais dos dentes (Figura 1A).
A estrutura muscular dos maxilares é capaz de mastigação eficiente e raspagem mesmo contra rochas do oceano duros e corais. Quando as mandíbulas abertas, os dentes se projetam para fora e quando as maxilas de perto, os dentes retrair para dentro em um único movimento suave. Comparação entre primitive (acima) e modernos (abaixo) dente ouriço do mar secções transversais (Figura 1B) indica que um dente keeled evoluiu para fortalecer o dente quando moagem contra substratos rígidos. Cada dente indivíduo tem uma curvatura ligeiramente convexa e uma morfologia em forma de T no plano transversal (perpendicular à direcção do crescimento) devido à quilha longitudinal ligado (Figura 1C, D).
Bioinspiration começa com a observação de fenómenos naturais interessantes, como o movimento de mastigação eficiente da lanterna de Aristóteles em ouriços do mar. Esta estrutura natural inicialmente cativado Aristóteles porque o lembrava de uma lanterna de chifre com os painéis de chifre deixado de fora. Mais de dois milênios depois, Scarpa era fascinado pela complexidade da lanterna de Aristóteles que ele e mais tarde Trogu imitou o movimento de mastigação natural, usando apenas papel e faixas de borracha (Figura 2A) 15,16. Da mesma forma, Jelinek foi bioinspirado pelo chewing movimento da lanterna de Aristóteles e desenvolveu uma melhor harvester biópsia que pode isolar com segurança tecido tumoral sem espalhar as células cancerosas (Figura 2B, C) 12,13. Neste caso, de criação bioinspirado foi utilizada para fazer um dispositivo biomédico que se encaixam uma necessidade específica para uma aplicação desejada.
O protocolo projeto descrito aqui se aplica a um amostrador de sedimentos bioinspirado por ouriços do mar. Através da ciência de materiais biológicos, a estrutura natural da lanterna de Aristóteles é caracterizado. desenho Bioinspirada identifica potenciais aplicações em que os mecanismos naturais podem ser melhorados através do uso de materiais e técnicas modernas de fabricação. O desenho final é re-examinada pelo prisma da bioexploration para entender como a estrutura natural do dente evoluiu (Figura 3). O último passo bioexploration, proposto por Porter 17,18, usa métodos de análise de engenharia para eXplore e explicar fenômenos biológicos. Todos as etapas importantes do processo Bioinspiration são apresentados como um exemplo para o aproveitamento da tecnologia, pré-aprovada por natureza, que pode ser usado para a resolução de problemas modernos. Nosso protocolo, motivado por procedimentos Bioinspiration anteriores apresentados para aplicações específicas por Arzt 7, é voltado para biólogos, engenheiros e qualquer outra pessoa que é inspirado na natureza.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Biológica Ciência dos Materiais
- Use equipamento de proteção individual (ou seja, luvas, óculos de segurança e revestimento do laboratório) e seguir todos os procedimentos de segurança aplicáveis para a utilização de ferramentas de dissecação.
- Enxaguar a pinça e bisturi com água destilada a ser usado para dissecção.
- Descongelar um ouriço-do-mar-de-rosa congelado à temperatura ambiente por 1 hora. Coloque uma amostra descongelados em um prato de vidro com espaço suficiente para ser capaz de manobrar as ferramentas de ouriço e corte. Vire o ouriço-do-cabeça para baixo para que as pontas dos dentes voltados para cima.
- Corte o tecido conjuntivo em torno do perímetro da lanterna de Aristóteles com o bisturi e com cuidado levante a lanterna. Lavar a lanterna fora com água corrente destilada. Descarte peças de ouriço não utilizados em um recipiente adequado de eliminação de resíduos.
- Vire a lanterna do Aristotle de novo assim que as pontas dos dentes face para baixo. Localizar o fim plúmula de cada dente (em frente à ponta) voltado para cima e usar a pinça para cuidartotalmente deslizar para fora dentes individuais da lanterna.
- Prepare epóxi para pot os dentes. Pesar 5 g de resina e adicionar 1,15 g de endurecedor (por exemplo, 100 partes de resina para 23 partes de endurecedor em peso) num tabuleiro de plástico descartável raso. Misturar o conteúdo juntos lentamente sem a formação de bolhas.
Nota: Não deixe epoxy restante misturado em um recipiente com exposição insuficiente para a atmosfera. O processo de cura é exotérmica e pode incendiar materiais inflamáveis nas proximidades. Manter qualquer epoxy restos misturados em um exaustor bem ventilado e longe de produtos inflamáveis.- Lubrifique um tubo de 2,5 dram de plástico (diâmetro interno de 22 mm, 39 mm de comprimento) usando vaselina aplicada com um dedo e limpe o excesso com um lenço de papel. Encha até a metade do tubo com epóxi misto.
- Use a pinça para pegar um dente e cuidadosamente submergi-lo na epoxy com o lado côncavo curvo virado para cima. Deixe a cura epoxi à TA durante 24 h.
Nota: Evitar a ponta do dente de drifting para tocara parede do tubo de plástico como as curas epóxi desde Isso fará com que o polimento a ponta mais difícil.
- Coloque o tubo de plástico com epóxi curado em um torno. Apertar o torno lentamente até uma fissura está feita no tubo de plástico. Descascar plástico residual da superfície de epóxi.
- Usar um corte serra para cortar o epóxi em torno do dente para baixo para um bloco mais pequeno (1 cm3).
- Prepare uma área limpa para polimento e configurar uma estação de trabalho plana com uma placa de plástico duro. Encha uma garrafa de esguicho com água destilada.
- Comece com o menor lixa disponível (por exemplo, 120) e apertar uma pequena quantidade de água a partir da garrafa de lavagem sobre a lixa. Usando uma leve pressão, esfregar a amostra em uma frente e para trás direção (por exemplo, esquerda-direita) durante 5 min.
- Lavar a superfície da amostra sobre uma pia e limpe com um pano livre de partículas. Remova qualquer lixa restante com ar comprimido por 15 s.
- Use progressivamente maior lixa (por exemplo, 600 e 2.400) para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2. Usando uma leve pressão, esfregue a amostra em uma frente e para trás direção perpendicular à etapa polonês anterior (por exemplo, de cima para baixo, da esquerda para a direita).
Nota: Use um microscópio de luz com ampliação de 20x para ver marcas de arranhões perpendiculares cruzam com cada nível grit (por exemplo, 120, 600, 2400). Mover para a próxima maior lixa quando marcas de arranhões a partir do nível grit anterior desaparecer. - Prepare uma garrafa de esguicho com 3 mm de suspensão de polimento de diamantes em uma solução 1: água destilada 1. Use um pano polonês para suspensões de diamante para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
- Prepara-se uma garrafa de esguicho com 0,5 mícrons suspensão de polimento de alumina numa solução 1: 1 de água destilada. Use uma superfície microcloth polimento para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
Nota: marcas de arranhões multa de protocolo passos 1.6.4 e 1.6.5 não será visible com ampliação de 20x. Para essas etapas protocolo, polimento por 5 min em um movimento de vaivém para remover todos os arranhões anteriores. - Limpe a superfície polida com o tecido livre de partículas de água destilada e uso com ar comprimido para cuidadosamente seca. Enrole com o tecido livre de partículas para manter espelho acabamento polido.
Nota: Seque todas as superfícies de polimento de bruços sobre grandes tecidos livres de partículas. Armazenar em uma luva plástica para evitar partículas de poeira que se estabelecem na superfície entre os tempos de polimento.
- Caracterizar a microscopia eletrônica de varredura ouriço do mar dente microestrutura utilizando (SEM). Usar um revestidor por crepitação de irídio por pulverização catódica com uma corrente de 85 mA a deposição durante 10 seg sobre a superfície do dente polido para uma espessura de revestimento de ~ 20 nm.
- Obter imagens de micrografia a 250X - 4,000X ampliação usando um SEM.
Nota: O uso de 5 kV no modo de varrimento electrónico (SE) e 15 kV no modo de electrões dispersos-volta (BSE). Use o modo de BSE para identificar calcite lorotaERS intercaladas com matriz policristalino enriqueceram-Mg.
- Obter imagens de micrografia a 250X - 4,000X ampliação usando um SEM.
- Execute tomografia computadorizada-micro (μ-CT) scans de um ouriço-do-mar-de-rosa todo e um recém-dissecados lanterna de Aristóteles. Posicione cada amostra descongelado dentro do recipiente câmara fechada com um lenço umedecido para proporcionar um ambiente umidificado durante a digitalização.
- Digitalizar todo o ouriço e lanterna de Aristóteles por μ-CT com um tamanho voxel isotrópico de 36,00 mm e 9,06 mm, respectivamente. Aplicar um potencial elétrico de 100 kVp e 70 kVp com corrente de 100 mA e 141 mA, para todo o ouriço e lanterna de Aristóteles, respectivamente, utilizando um filtro de alumínio 1,0 mm para ambos.
- Aplicar um algoritmo de correção de endurecimento do feixe durante a reconstrução de imagem para explicar artefatos endurecimento do feixe que resultam da fonte de raios-x μ-CT emissor de raios-x de várias energias usando o protocolo do fabricante.
- Use software de imagem para refinar imasegmentação ge e adquirir um modelo de malha de triângulos para a estrutura lanterna do Aristóteles.
- De carga e pré-visualização de dados de imagem lanterna de Aristóteles da verificação μ-CT. Corresponder ao tamanho do voxel (9,06 mm) para os valores da verificação micro-CT.
- Use uma função de processamento de volume para visualizar lanterna de Aristóteles no espaço 3D. Ajustar a fatia ortogonal em 2D com o módulo de caixa delimitadora e ajustar o valor limite / cor com o módulo de Volume Rendering.
- Faça segmentos de máscara para a região de interesse (por exemplo, dente ouriço do mar) usando o editor de segmentação. Selecione XY, YZ e planos XZ e a visualização em 3D isométrico. Use a varinha mágica (seta preta) para distinguir entre estruturas simples (dente vs. pirâmide) na lanterna do Aristóteles.
- Reconstruir o modelo de superfície dos segmentos de máscara extraídos. Selecione o módulo de geração de superfícies e aplicar. Desmarque o volume Rendering Configurações de ter a superfície superior visível desaparecer. Adicione oVer módulo de superfície para exibir o resultado superfície.
- Simplificar a superfície modelo, reduzindo o número de faces para <18000.
- Edit Mesh triângulo indivíduo na superfície do modelo, conforme necessário. Salve o modelo como um arquivo de estereolitografia (STL) para exportar para usar com o software de design (CAD) de modelagem assistida por computador.
2. Bioinspirada projeto
- Use a lanterna do Aristotle da verificação micro-CT como referência para fazer um projeto bioinspirado com software de modelagem CAD.
Nota: O design bioinspirado tem cinco dentes curvos com altura de 6 cm e diâmetro de 8 cm para a lanterna fechada. Ele está escalado para cima ~ 5x do tamanho da lanterna de Aristóteles natural. - Salve as partes do arquivo STL para uma unidade flash e enviar os arquivos para uma modelagem por fusão e deposição (FDM) impressora 3D.
- cartuchos de material de estireno carga de acrilonitrila-butadieno (ABS) de plástico e de plástico suporte nas ranhuras apropriadas do 3D printer.
- Insira a base de modelagem na plataforma Z e alinhe as guias com ranhuras na bandeja de metal.
- Abra cada uma das partes do arquivo STL e siga os passos de tela de exibição para imprimir todas as partes lanterna ao mesmo tempo.
Nota: partes da lanterna deve caber dentro do invólucro do edifício (25 x 25 x 30 cm3) para a impressora 3D. Todos os cinco dentes estão dispostos na base de modelação e impresso em simultâneo com a ponta do dente virado para cima. A taxa de construção é de 16 cm3 por hora eo tempo total de construção é de aproximadamente 8 horas. - Solte a base de modelagem das abas quando todas as partes de arquivos são impressos e deslize a base para fora da impressora 3D ao longo das guias da bandeja.
- Use uma espátula de metal para erguer todas as partes fora da base e um arquivo de metal para desgastar qualquer plástico adicionais instalados nas peças.
- Coloque as peças impressas em um banho base aquecida até dissolver o material de suporte de plástico.
- Fixe cada dente a um braço de articulação com um lihaste NK e dois anéis de retenção E em ambos os lados.
Nota: Consulte a Figura 6 para a montagem da lanterna do bioinspirado de Aristóteles.
3. Bioexploration
- Use o arquivo CAD para o dente bioinspirado para fazer um elemento de modelagem finitos (FEM) teste de análise de stress.
- Abra o arquivo (xx.sldprt) para fazer uma análise mais aprofundada de engenharia. Acima da guia "Produtos de Escritório", selecione o botão "SolidWorks Simulation".
- Acima da aba "Simulação", selecione o botão "Study Advisor" e, em seguida, a opção drop-down "Estudo de Novo".
- Selecione o tipo de teste de simulação para ser executado escolhendo "Static".
- Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Chaves" e selecione "geometria fixa".
- Clique nas faces internas para adicionar acessórios para os furos de montagem, onde os pinos vão.
- Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e select "Force".
- Clique no dente moagem ponta enfrenta a aplicar 45 N de força para as bordas.
- Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e selecione "Gravity".
- Indicar "Plano superior" para a força da gravidade aplicada normal ao plano.
- Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "malha" e selecione "Criar malha".
- Mover a barra de escala para "densidade da malha" todo o caminho para a direita para "Fine".
- Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Static" e selecione "Executar" para executar o teste.
Nota: A barra colorida escala para áreas de maior estresse e da "Força Yield".
- Comparar os resultados dos testes de análise de tensão para o dente bioinspirado com e sem quilha.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
projeto bioinspirado do dispositivo de amostragem lanterna de Aristóteles depende muito da qualidade dos métodos de caracterização utilizados. Técnicas não invasivas como μ-CT são úteis para a análise de toda a lanterna e os dentes individuais para aplicar melhorias específicas de aplicativos para a concepção bioinspirado (Figura 4). Enquanto isso, a microestrutura do dente pode ser explorada através de electrões secundários e electrões micrografias back-dispersas da secção transversal de um dente polido indivíduo (Figura 5). A região cinza mais escuro é a parte mais difícil de pedra da ponta ranger de dentes e consiste de até 40 mol% em átomos de magnésio, que substituem os átomos de cálcio.
Análise da microestrutura do dente com BSE-SEM (Figura 5) confirmou a importância estrutural da peça de pedra Mg-enriquecida na ponta do dente de moagem. Placa e fibra primaelementos ry (mono cristais de calcita, cinza mais claro na Figura 5C) são ligados entre si por uma matriz de elementos secundários (calcite e policristais carbonato de magnésio, mais escura de cinza na Figura 5C), que compõem a região pedra mais dura da ponta ranger de dentes.
A lanterna bioinspirado foi concebido com software de CAD, 3D impressa e montado (Figura 6) para a recolha de areia da praia (Figura 7). Testes de análise de tensões foram utilizados para calcular a tensão de von Mises de dois projetos de dente, uma sem a quilha (Figura 8A) e outro com a quilha (Figura 8B). Uma malha sólido composto por tetraedros foi empregada sobre a geometria do dente. O valor da força escolhido (45 N) combinado medições de testes na praia de penetrar 1 cm de profundidade em areia dura com dentes lanterna perpendicular à superfície.
(Figuras 7A, B). O aumento de massa é pequena em comparação com a diminuição do estresse que a quilha fornece. A diminuição da tensão demonstra a eficácia deste design bioinspirado de concentração de tensão dentro da região carenadas.
Figura 1. lanterna e dentária morfologia do ouriço-do-mar Aristóteles. (A) Close-up da vista ventral de um ouriço do mar (à esquerda) e lanterna de Aristóteles (direita) 13. (B) As secções transversais dadente sulcado de um ouriço-do-primitiva cidaroid (topo) e o dente quilha de um ouriço-do-camarodont moderna (parte inferior) 14. (C) Um dente isolado visto do seu lado com a ponta (parte inferior) e indicou quilha (lado esquerdo) 20. Imagem (D) SEM de uma secção transversal do dente polido com a quilha indicada (de fundo) 20. Imagens adaptados de referências indicadas para (A), (B), (C) e (D). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Bioinspirada projetos baseados na lanterna do Aristóteles. (A) vista isométrica de um desenho para um modelo biônico da lanterna de Aristóteles, que tem 3D impresso plástico partes ligados por bandas de borracha (não mostrados) para a musculatura em anexo 16. (B, C) lanterna A de Aristóteles serviu de inspiração biológica para uma colhedora de biópsia 13. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Quatro passos do processo Bioinspiration. (Sentido horário a partir da esquerda) O processo começa com Bioinspiration aprendendo com a natureza através da observação do ouriço-do-mar-de-rosa e lanterna de Aristóteles. (Superior) Análise do ouriço-do-mar e estrutura lanterna de Aristóteles das verificações μ-CT (à esquerda). resultados (à direita) recolhidos são usados para gerar um protótipo de design bioinspirado. (Parte inferior) de métodos de análise de engenharia foram aplicadas para explorar fen biológicaomena eo design bioinspirado 17,18. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Micro-computado tomografia da estrutura lanterna do Aristóteles. Visualização (A) Lado das estruturas piramidais que ajudam a apoiar os dentes. Dentes (B) ouriço do mar pilha em cima uns dos outros e apresentam simetria cinco vezes. (C) as porções de ponta distal são removidos para mostrar a estrutura de quilha longitudinalmente ligados para todos os cinco dentes. (D) Um dente individual e quilha (azul) com pirâmide (amarelo) correspondentes são mostradas e também indicada em (C). Por favor cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. A análise de microscopia eletrônica de varredura (SEM), da microestrutura ouriço do mar dente. (A) SEM micrografia de uma secção transversal do dente polido com a região fraco tarja pedra e quilha (parte inferior) indicado. (B, C) micrografias Backscattered elétrons SEM das caixas roxas e alaranjadas de (A) mostram a placa curva e elementos primários de fibra de calcita redondos situados acima de uma matriz policristalino denso Mg enriquecido (cinza escuro). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura6. 3D montado impresso bioinspirado partes lanterna de Aristóteles. Anéis de retenção E (A) e tirantes são utilizados para fixar as partes do dente 3D impresso em três posições conjuntas. (B) montado lanterna bioinspirado de Aristóteles com um dente removido. (C) Vista da quilha para dentes individuais e as mudanças de posições conjuntas quando a lanterna está parcialmente (esquerda) e totalmente aberta (à direita). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Design lanterna do Bioinspirada Aristóteles e uso na praia. (A, B) Computer Aided imagens de design de lanterna do bioinspirado de Aristóteles enquanto fechada e totalmente aberta, respectivamente. (C) O 3D impressas bioinspirado lanterna de Aristóteles recolhidos diferentes tipos de areia na praia. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. Bioinspirada teste de ouriço-do-mar análise de tensão dente. (A, B) mostra a análise de elementos finitos a não-quilha (A) versus quilhadas dente (B) quando é aplicada força nos bordos de dente. O design do dente keeled experimentou ~ 16% menos stress devido à adição da quilha. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ouriços do mar usar a lanterna de Aristóteles (Figura 1A) para uma variedade de funções (alimentação, chato, girar, etc.). O registro fóssil indica que a lanterna tem evoluído de forma e função a partir do tipo cidaroid mais primitivo ao tipo camarodont das modernas ouriços do mar 14. Lanternas Cidaroid ter longitudinalmente sulcado dentes (Figura 1B, em cima) e apego não separados músculo a sua estrutura de pirâmide. Isto limita o seu movimento ascendente e descendente e os priva de maior potência raspagem gerado pelo movimento lateral, o que é observado nas modernas lanternas mais camarodont (Figura 1B, parte inferior). Os biólogos têm especulado que o dente keeled (Figura 1C, D) evoluiu em camarodonts para reforçar o dente sob as fortes forças de tensão gerados por raspagem substratos duros 18,20,23.
O protocolo de design bioinspirado neste trabalho combinadabiologia, ciência dos materiais biológicos, design bioinspirado e bioexploration (Figura 3) para desenvolver um dispositivo bioinspirado com uma função específica para o sedimento amostragem. A varredura μ-CT da lanterna de Aristóteles (Figura 4), foi importado como um arquivo STL apenas para referência desde o design final amostrador não imitar a fixação muscular complexa na estrutura natural. Em vez disso o projeto bioinspirado empregado um mecanismo mais simples abertura e fechamento com peças que podem ser fabricados facilmente por uma impressora 3D para montagem em amostrador lanterna do Aristóteles. No geral, foi utilizada uma abordagem circular para o projeto bioinspirado desde a etapa bioexploration permitido para novas conclusões a retirar da biologia natural. Potenciais modificações do projeto bioinspirado pode atender a diferentes aplicações, além de amostragem de sedimentos. Uma limitação deste protocolo é que ele é focado em uma aplicação específica do processo bioinspirado para um dispositivo baseado nona lanterna do Aristóteles. No entanto, o protocolo descrito aqui pode ser aplicado para a análise, o desenvolvimento e a fabricação final de outros modelos bioinspirados com base em amostras biológicas.
A principal aplicação para este montado bioinspirado amostrador lanterna de Aristóteles (Figura 6) foi para a recolha de areia solta e compactado (Figura 7). Olhando para o futuro, a NASA tem um plano para trazer de volta amostras marcianas à Terra usando um rover amostra-retorno após uma sucessão de missões ao longo de muitos anos 29. A rover amostra-retorno equipado com amostrador lanterna uma bioinspirado de Aristóteles pode ser benéfica para futuras missões. Um amostrador menor que se assemelha o tamanho de uma lanterna de Aristóteles natural pode também ser útil para outras aplicações. A anisotropia de dureza em dentes ouriço-do-naturais, apesar de interessante em seu próprio direito, não foi incorporada neste projeto bioinspirado.
Bioexploration de Keeled contra os dentes não-keeled confirmou o propósito estrutural importante da quilha em ouriços do mar naturais (Figura 8). O resultado bioexploration fornece dados que ajuda a explicar por modernos ouriços do mar evoluiu estruturas quilha. Nós reconhecemos que Porter 17,18 foi o primeiro a propor a etapa bioexploration aplicada neste trabalho, o que foi fundamental para a utilização de métodos de análise de engenharia para quantificar a vantagem mecânica da estrutura da quilha no dente ouriço-do-mar. projeto futuro bioinspirado que liga observação natural, ciência dos materiais biológicos, design bioinspirado e bioexploration pode ser benéfico para a incorporação de uma familiaridade mais profunda enraizada com os princípios de design natural.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 | Buehler | 305308600102 | Abrasive paper for polishing |
| TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA | Buehler | 407518 | Polish cloth for 3 μm suspension |
| METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC | Buehler | 406631 | Polish suspension (3 μm) |
| 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. , Bologna, Italy. (1985).
- Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. Living Machines 2014: 3rd International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems, Barcelona, Spain, , (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. SICB Annual Meeting, 2015 Jan 3-7, , Society for Integrative and Comparative Biology. West Palm Beach, FL. (2015).
- Porter, M. M. Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , University of California. San Diego. (2014).
- De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , CRC Press. (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. arnevali C. andia, 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).
