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Bioengineering

Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha

Published: October 11, 2017 doi: 10.3791/56571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Engineering, Brown University

Summary

Apresentamos um protocolo para a realização de testes de flexão de três pontos no sub milímetros fibras de escala usando um dispositivo de teste mecânico custom-built. O dispositivo pode medir forças que variam de 20 µN até 10 N e, portanto, pode acomodar uma variedade de tamanhos de fibra.

Abstract

Muitos carga rolamento estruturas biológicas (LBBSs) — como rachises pena e espículas — são pequenas (< 1 mm) mas não microscópicas. Medindo o comportamento à flexão destes LBBSs é importante para compreender as origens de suas funções mecânicas notáveis.

Descreveremos um protocolo para realização de testes de flexão de três pontos usando um dispositivo de teste mecânico personalizado que pode medir forças que variam de 10-5 a 101 N e deslocamentos variando de 10-7 a 10-2 m. A principal vantagem deste dispositivo mecânico de testes é que as capacidades de força e o deslocamento podem ser facilmente ajustadas para LBBSs diferentes. Princípio de funcionamento do dispositivo é semelhante de um microscópio de força atômica. Ou seja, a força é aplicada para a LBBS por um ponto de carga que é anexado ao fim de um cantilever. O deslocamento do ponto de carga é medido por um sensor de deslocamento óptica de fibra e convertido em uma força usando a rigidez cantilever medido. Intervalo de força do dispositivo pode ser ajustado usando cantilevers de diferentes stiffnesses.

Os recursos do dispositivo são demonstrados através da realização de testes de flexão de três pontos sobre os elementos esqueléticos da esponja marinha Euplectella Aspersório. Os elementos esqueléticos — conhecido como espículas — são fibras de sílica que são aproximadamente 50 µm de diâmetro. Descrevemos os procedimentos para calibrar o aparelho de teste mecânico, as espículas de montagem em um dispositivo elétrico flexão de três pontos com uma extensão de mm ≈1.3, e realizando uma flexão de teste. Medem-se a força aplicada para o spicule e sua deflexão no local da força aplicada.

Introduction

Ao estudar as arquiteturas de estruturas biológicas (LBBSs), tais como shell e osso de rolamento da carga, os engenheiros desenvolveram novos materiais compósitos que são forte e duro 1. Ficou demonstrado que as propriedades mecânicas notáveis de LBBSs e os seus homólogos de bio-inspirado estão relacionadas com suas arquiteturas internas intricadas 2. No entanto, as relações entre arquiteturas LBBS e propriedades mecânicas não são totalmente compreendidas. Resposta mecânica de um LBBS de medição é o primeiro passo para entender como sua arquitetura melhora suas propriedades mecânicas.

No entanto, é importante que o tipo de teste usado para medir a resposta mecânica de um LBBS é consistente com a sua função mecânica. Por exemplo, uma vez que as penas devem suportar cargas aerodinâmicas, a principal função de um ráquis pena é fornecer a rigidez à flexão 3. Portanto, um teste de dobrando é preferido a um teste de tensão uniaxial para medir sua resposta mecânica. Na verdade, muitos LBBSs — tais como a pena rachises 3, grama caules 4e espículas 5,6,7,8— principalmente se deforma, dobrando. Isto é porque estes LBBSs são delgadas —ou seja, seu comprimento é muito maior que sua largura ou profundidade. No entanto, realizando testes de flexão nestas LBBSs é um desafio porque as forças e deslocamentos que eles podem suportar antes de falhar variam de 10-2 -102 N e 10-4 a 10-3 m, respectivamente 3 , 4 , 5 , 7 , 8. por conseguinte, o dispositivo usado para realizar esses ensaios mecânicos deve ter força e deslocamento resoluções de ≈10-5 N e ≈10-7 m (ou seja, 0,1% da força máxima mensurável e deslocamento do sensor), respectivamente.

Comercialmente disponível, em grande escala, sistemas de ensaios mecânicos normalmente não se pode medir forças e deslocamentos com esta resolução. Enquanto força atômica baseada em microscópio 9,10 ou Microeletromecânicos baseadas em sistemas 11 dispositivos de teste têm resolução adequada, a força máxima (deslocamento respectiva) podem medir é menor do que o força máxima (deslocamento respectivo) que pode suportar a LBBS. Portanto realizar testes de flexão esses LBBSs, engenheiros e cientistas deve contar com Custom-Built mecânico teste dispositivos 5,7,12,13. A principal vantagem destes dispositivos personalizados é que podem acomodar grandes gamas de forças e deslocamentos. No entanto, a construção e o funcionamento destes dispositivos não está bem documentada na literatura.

Um protocolo é descrito, realizando testes de flexão de três pontos usando um dispositivo de teste mecânico personalizado que pode medir as forças que variam de 10-5 a 101 N e deslocamentos variando de 10-7 a 10-2 m. Desenhos técnicos, incluindo todas as dimensões, os componentes do dispositivo de teste mecânico são fornecidos no Material complementar. A principal vantagem deste dispositivo de testes mecânicos é que os intervalos de força e o deslocamento podem ser facilmente ajustados para se adequar a diferentes LBBSs. Princípio de funcionamento do dispositivo é semelhante de um microscópio de força atômica 9. Neste dispositivo, um espécime é colocado através de uma trincheira cortar em uma placa de aço inoxidável (veja a Figura 1A-C). A extensão da trincheira é medida de micrografias ópticas para ser 1278 ± 3 µm (média ± desvio-padrão; n = 10). As bordas de trincheira apoiar a amostra durante um teste de flexão (ver Figura 1e D). Nesta fase de amostra é anexada a um estágio de tradução de três eixos e posicionada debaixo de uma cunha de alumínio para que a cunha está localizada no meio do caminho em toda a extensão da trincheira (ver Figura 1C). Movendo o palco Equation 1 direção (ver figura 1Ae C), a amostra é empurrada para a cunha causando o espécime para dobrar.

Nos referimos a cunha como a ponta do ponto de carga (LPT) e o componente do dispositivo que contém a cunha como o ponto de carga (LP). O LP é anexado ao fim de um cantilever cujo deslocamento é medido por um sensor de deslocamento óptica de fibra (FODS). O FODS emite luz infravermelha, que é refletida em um espelho localizado na superfície superior do LP (ver Figura 1B) e recebido por uma fibra óptica no FODS. Uma peça quadrada de uma bolacha de silicone polido ≈5 mm é usada como o espelho de LP e aposição do LP usando epóxi. O FODS mede deslocamentos, comparando a intensidade da luz emitida e refletida. A rigidez do cantilever e deslocamento são usados para calcular a força, Equation 2 , vividas por Cunha devido à sua interação com a amostra. O deslocamento do cantilever também é usado para calcular o deslocamento de seção transversal do espécime sob a cunha, Equation 3 . Sensores de força baseados em cantilever têm sido usados em um número de micro e macroescala mecânica teste estudos 10,11,12,13,14. O design específico apresentado aqui é uma adaptação de um dispositivo mecânico de teste utilizado para a realização de experiências de contato adesivo 14. Um projeto similar também tem sido usado em um micro disponível comercialmente-tribometer 15,16.

Figure 1
Figura 1: visão geral do dispositivo mecânico Custom-Built teste. (A), A renderização de desenho assistido por computador do dispositivo. Os componentes de fase são destacados em verde. A força de sensoriamento subconjunto (cantilever, ponto de carga (LP)) é destacada em vermelho. (B) uma ampliada vista do (A). O espelho de LP é mostrado em azul na superfície superior do LP sob o FODS e é rotulado LPM. (C) o sistema de coordenadas usado para descrever o movimento da fase de tradução. Por nivelamento thestágio e na etapa 1.9 do protocolo, o Equation 1 direção feita para coincidir com o vetor normal à superfície do espelho LP. (D), um esquema da configuração de flexão de três pontos mostrando a deformação do spicule e os deslocamentos medidos Equation 49 , e Equation 50 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os recursos do dispositivo são demonstrados através da realização de testes de flexão de três pontos sobre os elementos esqueléticos da esponja marinha Euplectella Aspersório6,7. Esqueleto desta esponja é um conjunto de filamentos, chamados espículas (ver Figura 2). As espículas são ≈50 µm de espessura e são compostas principalmente de silicone 6. Espículas baseada em Biosilica são encontradas em esponjas, pertencentes às classes de Demospongiae, Homosclerophorida e Hexactinellida. Esponjas, tais como E. Aspersório, que pertencem à classe Hexactinellida também são conhecidas como "esponjas de vidro". Enquanto as espículas de esponjas de vidro são compostas principalmente de sílica, tem sido demonstrado que a sílica geralmente contém uma matriz orgânica composta ou colágeno 17,18 ou quitina 19,20 , 21. esta matriz orgânica desempenha um papel importante em sílica biomineralização 18,20. Além disso, em algumas espículas a matriz orgânica também serve como um modelo para a biomineralização de cálcio 22. Além de ser distribuída dentro da sílica, a matriz orgânica também pode formar camadas distintas que particionem sílica do spicule em lamelas concêntricas, cilíndricas 6,23. Tem sido demonstrado que essa arquitetura concêntrica, lamelar pode afetar deformação comportamento 6,7,8,24,25,26 das espículas . Por conseguinte, propriedades mecânicas das espículas são determinadas por uma combinação de sua química (i. e., a estrutura química do composto a sílica-proteína) e sua arquitetura 27. A estrutura química e a arquitetura de espículas de esponja de vidro ainda estão sob investigação de28, 24,29.

A maioria das espículas em Aspersório E. é cimentada juntos para formar uma gaiola esquelética rígida. No entanto, na base do esqueleto... há um tufo de muito tempo nas espículas (≈10 cm) conhecido como as espículas de âncora (ver Figura 2). Descrevemos o protocolo para a realização de testes de flexão de três pontos em pequenas secções de espículas a âncora.

Na etapa 1 do protocolo, é descrito o procedimento para montagem e alinhando os componentes do dispositivo de teste mecânico custom-built. As etapas 2 e 4 do protocolo fornecem instruções para gerar dados de calibração, usados para calcular as forças e deslocamentos no teste de flexão. As medidas tomadas para preparar uma seção de um spicule e montá-lo para o dispositivo de teste são descritas na etapa 3. O procedimento para a realização dos ensaios de flexão na seção spicule é descrito na etapa 5. Finalmente, na seção de Resultados de representante dos dados de calibração obtidos nos passos 2 e 4 são utilizados juntamente com os dados de teste flexão obtidos na etapa 5 para calcular Equation 2 e Equation 3 .

Figure 2
Figura 2: Procedimento para corte e inspecionando espículas E. Aspersório. (A) o esqueleto de E. Aspersório. O tufo de espículas de âncora autônoma é mostrado na base do esqueleto. Barra de escala é ~ 25 mm. (B) uma spicule única âncora é mantido no lugar em uma corrediça do microscópio usando um pincel de de Marta #00000 vermelho e seccionado usando uma lâmina de barbear. Barra de escala é ~ 12 mm. (C) uma seção de um Aspersório E. spicule colocada do outro lado da trincheira, na fase de amostra. A bordas de trincheira e a trincheira ridge são destacadas em verde-azulado e laranja, respectivamente. O spicule é empurrado contra o cume de trincheira para garantir que seu eixo é perpendicular às bordas da trincheira. (D) A Micrografia de uma spicule que passa o procedimento de inspeção descrito no passo 3.4 do protocolo, que descreve como determinar se uma seção de spicule está danificada e deve ser descartada. (E) A lâmina histológica de um spicule contendo muitas rachaduras e falta de grandes seções de camadas de sílica que falhariam o procedimento de inspeção descrito no passo 3.4 do protocolo. Escala de barras = 250 µm (C), (D) de 100 µm e 100 µm (E). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Protocol

1. montagem e alinhamento

  1. escolher um cantilever cuja rigidez é apropriado para a experiência pretendida. Anexe o LP para o cantilever usando #4-40 cabeça parafusos sextavados de cabeça (SHCSs) (ver Figura 3). Tome cuidado para não plasticamente deformar os braços cantilever enquanto anexar o LP.

Figure 3
Figura 3: procedimento para montagem cantilever força sensor e medição sua rigidez. Ponto (A) a carga (LP) é anexado para o cantilever (C), com a ponta do ponto de carga (LPT) apontada para cima. (B) cantilever e submontagem LP é anexada à placa do cantilever, denotado como CP. O bolso embutido da placa do cantilever é mostrado sob os braços do cantilever. (C) a placa do cantilever é anexado à parte inferior do quadro para que o lado da placa mostrada em (B) é voltado para o Equation 6 direção. O micrômetro FODS é denotado como FM (D), o gancho de arame e pesos de calibração usados na etapa 2 do protocolo são mostrados pendurado o buraco o LPT. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. aplicar algumas gotas de 2-propanol a um cotonete de algodão livre de fiapos e limpe a superfície do espelho LP. Inspecionar o espelho para arranhões e substituir o espelho se está danificada.
  2. Vagamente anexar cantilever para a placa do cantilever usando #6-32 SHCSs no lado da placa que contém o bolso embutido com o LPT apontando para longe da placa (ver Figura 3 B). Coloque a 1/8 " pinos de alinhamento através do cantilever e placa, aperte os parafusos e remova os pinos de alinhamento.
  3. Retrair o FODS tanto quanto possível, girando o FODS micrômetro anti-horário (ver Figura 3 C). Instale sem apertar a placa do cantilever de quadro usando SHCSs #6-32 com o LPT apontando no Equation 4 direção (ver Figura 1 A). Coloque a 1/8 " pinos de alinhamento através da placa do frame e do cantilever, aperte os parafusos e remova os pinos de alinhamento (veja Figura 3 C).
  4. Ativar o poder fornece e definir a tensão de 12,00 V em modo de tensão constante com o botão de ajuste. Em seguida, ligue a saída de tensão e confirmar que a tração atual exibido na fonte de alimentação ' s LCD tela é aproximadamente 60-70 mA. Espere pelo menos uma hora para o sorteio atual atingir o estado estacionário, para reduzir a incerteza de medição de tensão.
  5. , Abra e execute o programa Basic_Data (consulte os arquivos de código complementar). Rode o micrômetro FODS (ver C Figura 3 e Figura 4) para a direita para mover os FODS em direção a LP do espelho até a tensão de saída exibida no gráfico interface usuário atinge um valor máximo.
    1. Ajustar o ganho do FODS, girando o conjunto de parafusos do lado da carcaça FODS para que a tensão de saída é 5.0 V. vez o micrômetro FODS anti-horário para retrair o FODS.
  6. Ativar o iluminador microscópio e ajustar a posição do microscópio e concentrar-se usando as duas fases de tradução manual, de modo que o LPT é centrado no campo de visão. Parar o programa de Basic_Data clicando o ' parar ' botão.
  7. Abre o software de interface de usuário do controlador do motor. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o Equation 5 -controlador do motor para mover o estágio para o curso máximo admissível no eixo a < img alt = "Equação 6" src = "/ arquivos/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > direção e conjunto a posição inicial clicando o ' Home ' botão na interface do usuário.
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o Equation 7-controlador do motor para mover o estágio para o curso máximo admissível no eixo o Equation 8 direção e conjunto a posição inicial. Feche o software de interface de usuário.
  8. Assento o estágio na placa base do palco (ver A Figura 4) para que as dicas das cabeças de micrômetro o nivelamento de placa restante nos divots placa base do palco. Coloque um nível de bolha na mesa de isolamento e ajustar a pressão em cada um da mesa ' pernas s girando a válvula braço parafusos para que a superfície é nível.
    1. Mover o nível de bolha para o início da fase de nivelamento placa e ajustar os micrômetros, de modo que também é nível. Observe as posições do micrômetro e retire o palco da placa base de palco. Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.

Figure 4
Figura 4: O dispositivo de teste mecânico, montada em passos 1.9 e 3.7 do protocolo. (A) fase de amostra (SS), está ligado à fase de tradução (TS) e é nivelado usando os micrômetros no palco nivelamento placa (SLP), que estão assentados sobre a placa de base do palco (SBP). A placa de base do palco é anexada ao painel de experimentação ótico da tabela de isolamento. O cantilever (C); placa do cantilever (CP); e sensor de fibra óptica de deslocamento (FODS) compor a força de sistema de detecção. Ponto (B) a carga (LP) é anexado para o cantilever e a ponta do ponto de carga (LPT) é posicionada sobre o spicule em fase de amostra. Durante um teste de flexão, o deslocamento do LP é medido usando o FODS. A distância inicial entre o FODS e o espelho de LP é controlada pelo micrômetro FODS (FM), mostrado em (A). (C) A micrografia do spicule deitado do outro lado da trincheira, na fase de amostra, posicionado abaixo do LPT. Barra de escala = 250 µm (C). clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. medição de rigidez cantilever

  1. executar o programa Basic_Data e rode o micrômetro FODS no sentido horário até que a tensão de saída é aproximadamente 4 V. parar o programa clicando o ' parar ' botão.
  2. Medir a massa dos pesos de gancho e calibração fio usando uma balança analítica.
  3. Abrir o programa Cantilever_Calibration (consulte os arquivos de código complementar) e digite o nome do arquivo desejado para a força de caliarquivo de saída Bration na caixa de texto na interface do usuário.
  4. , Execute o programa Cantilever_Calibration e clique em ' Okey ' quando solicitado a inserir a massa do primeiro peso de calibração. Esperar que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário para parar a oscilação e clique o verde ' tensão estabilizada ' botão para tirar uma medição de tensão.
  5. Pinças de utilização para pendurar o fio gancho do buraco no LPT para que o gancho esteja voltado para o objetivo do microscópio (ver Figura 3 D). Use a pinça para abafar a vibração do cantilever causado pela adição do gancho.
    1. Entre a massa do gancho em gramas na caixa de diálogo e clique ' Okey '. Como na etapa anterior, esperar que a tensão de saída parar a oscilação antes de clicar o ' tensão estabilizada ' botão.
  6. Uso pinças para pendurar o primeiro peso no fio gancho e repita o processo de medir a tensão conforme descrito na etapa anterior. Repita este passo até que todos os pesos de calibração foram enforcados ou a tensão de saída é menos de 1.8 V. Neste ponto, clique ' cancelar ' na caixa de diálogo para sair do programa de Cantilever_Calibration.
  7. Gire o micrômetro FODS anti-horário para retrair o FODS. Cuidadosamente Retire o gancho e os pesos o LPT.
    Nota: O arquivo de saída de calibração de força é uma lista delimitado por tabulação da força aplicada pelas massas de calibração, a média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é processado para medir a rigidez cantilever.

3. Preparação das amostras

  1. desgaste nitrilo luvas quando estiver manipulando o Aspersório E. esqueletos de esponja e armazenar os esqueletos em recipientes selados, quando eles não estão sendo manipulados.
    Atenção: Desde que as espículas são compostas principalmente de sílica, spicule quebrado fragmentos são nítidos e podem tornar-se incorporado na pele, levando à irritação.
  2. Usar um par de pinças para agarrar um spicule âncora por sua extremidade distal e puxe-o para removê-lo do esqueleto (ver Figura 2). Coloque o spicule em uma corrediça do microscópio limpo.
  3. Segure o spicule contra o slide perto do ponto médio ao longo de seu comprimento, usando um pincel de de Marta #00000 vermelho. Cortar um ≈ seção de 4 mm do spicule empurrando uma lâmina de barbear contra o spicule em ambos os lados do pincel perpendicular ao slide de superfície (ver Figura 2 B). Descartar as seções grandes spicule distal e proximal e manter o ≈ seção de 4 mm.
  4. Inspecionar a seção 4 mm spicule usando um microscópio de luz polarizado na ampliação de 10x (consulte a Figura 2 C-E). Descartar a seção de spicule e retornar para a etapa 3.2, se está faltando grandes regiões de camadas de sílica (ver Figura 2). Lidar com seções de spicule inspecionado utilizando exclusivamente o pincel sable #00000 vermelho para evitar a introdução de novos danos em suas camadas de sílica.
  5. Limpar os fragmentos de spicule ou outras partículas da superfície da fase de amostra com um pincel ou ar comprimido. Em seguida, aplicar algumas gotas de 2-propanol a um cotonete de algodão livre de fiapos e limpar o palco de amostra. Evite o contato com as áreas do palco revestido com pintura anti-reflexo. Nota: A tinta é usada para reduzir o número de reflexões especulares nas imagens tiradas durante o teste de dobra
  6. Transferir a seção spicule para a fase de amostra. Posicione a seção de spicule do outro lado da trincheira com o intervalo desejado para o ensaio de flexão e empurre-o suavemente o Equation 10 direção contra o cume de trincheira. Certifique-se de que o spicule é perpendicular às bordas da trincheira (ver Figura 2 C).
  7. Assento o palco sobre a placa de base do palco para que as pontas dos eixos do micrômetro descansem nos divots placa base do palco. Se necessário, ajuste os micrômetros no palco nivelamento placa para os valores anotados na etapa 1.9 do protocolo.

4. Tensão-deslocamento interpolação arquivo

  1. abre o programa Bending_Test (consulte os arquivos de código complementar). Definir o ' passo tamanho ' de 2 µm, ' deslocamento máximo ' a 0,5 mm, ' paragem de baixa tensão ' de 1,5 V, e ' paragem de alta tensão ' a 4.6 V usando as caixas de texto mostradas na interface do usuário. Nome de
    1. , selecione os diretórios de dados e imagem desejados e o arquivo de saída usando o texto caixas na interface do usuário. Definir o ' salvar imagens ' alternar na interface do usuário para baixo e clique no botão retangular verde abaixo as palavras ' diferença de tensão ' para que ele se torna iluminado.
  2. Executar o programa de Bending_Test e aguarde o motor controlador e câmera interfaces inicializar.
  3. Ativar o iluminador e ajustar o brilho para que o LPT é visível. Gire o micrômetro FODS no sentido horário até que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário é ~1.7 V.
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o Equation 5-controlador de motor de eixo para invadir o palco a Equation 1 direção até é ~ 1 cm abaixo do LPT e defina o Equation 5-posição inicial do eixo clicando o " Home " botão.
  4. Usar os controles deslizantes de potenciômetro sobre o Equation 7- e Equation 11-controladores de motor de eixo para posicionar o LPT sobre o centro da faixa de aço fino localizado no palco na amostra a Equation 12 direção da trincheira. Use o controle deslizante potenciômetro no Equation 5-controlador de motor de eixo para invadir o palco a Equation 1 direção até o estágio encontra-se o microscópio ' campo de visão de s.
  5. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o Equation 5-controlador de motor de eixo para invadir o palco a Equation 1 direção enquanto observando o gráfico de tensão de saída na interface de usuário. Determinar a posição aproximada em que o LPT entra em contato com a fase ' superfície s procurando por uma mudança na tensão com ainda mais o movimento do palco. Retrair o palco aproximadamente 10 µm.
  6. Clique no botão rotulado " começar o teste ". Quando solicitado, insira valores de 0,003 V e 0,001 mm para ' tocar a sensibilidade ' e ' toque fora no tamanho de passo ', respectivamente. Esperar que o teste seja concluído.
    Nota: Após este ponto, não remova o palco da placa base do palco até que o teste de flexão completo para assegurar medições precisas de deslocamento. Arquivo de saída de tensão-deslocamento interpolação é uma lista delimitado por tabulação da média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras junto com o Equation 5- posição de palco de eixo a cada incremento de deslocamento de fase. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é usado para converter tensões de saída medidas FODS para deslocamentos LP.

5. Ensaio de flexão

  1. abrir e executar o Basic_Data programa e rode o micrômetro FODS ponteiros até que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário é de aproximadamente 3 V. Use o controle deslizante de potenciômetro no < img Alt = "Equação 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -controlador de motor de eixo para posicionar o LPT entre as bordas de trincheira acima o spicule (ver Figura 4 C).
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o Equation 5-controlador de motor de eixo para invadir o palco a Equation 1 direção até o LPT é abaixo da superfície superior da crista trincheira (consulte a Figura 5 A). Finalmente, use o deslizador de potenciômetro sobre o Equation 11-controlador de motor de eixo para focar a superfície frontal da crista trincheira para que toda a largura do LP é entre as bordas do cume de trincheira. Parar o programa de Basic_Data clicando o ' parar ' botão.
  2. Aberto e execute o programa Center_LoadPoint (consulte o arquivo de código complementar). Uso o Equation 7-controlador de motor de eixo para mover o palco até o LPT é quase em contato com a borda Direito da trincheira. Clique o " encontrar Edge " botão.
  3. , Quando solicitado, use o Equation 7-controlador de motor de eixo para mover o palco até o LPT é quase em contato com a borda esquerda da trincheira. Clique o " encontrar Edge " botão. Esperar que o programa para a posição o meio caminho LPT em toda a extensão da trincheira (consulte a Figura 5 B).
    Nota: Após este ponto é importante para não ajustar o Equation 7-controlador de motor de eixo como isto irá resultar em um desalinhamento do LPT.
  4. Abre o programa Bending_Test. Definir o tamanho de passo de 2 µm, deslocamento máximo de 0,5 mm, paragem de baixa tensão de 1.5 V e paragem de alta tensão de 4.5 V, usando as caixas de texto na interface do usuário. Nome de
    1. , selecione os diretórios de dados e imagem desejados e o arquivo de saída usando o texto caixas na interface do usuário. Definir o ' salvar imagens ' alternar na interface do usuário para a posição correcta e clique no botão retangular verde abaixo palavras ' diferença de tensão ' para que ele não está iluminado.
  5. Executar o programa de Bending_Test e aguarde o motor controlador e câmera interfaces inicializar.
  6. Invadir o palco do Equation 1 direção usando o controle deslizante de potenciômetro sobre o controlador do motor até o spicule encontra-se o microscópio ' s campo de visão. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o Equation 11 -controlador de motor de eixo para mover o palco até o spicule sob o LPT.
    1. Ajustar os botões de foco do microscópio de modo que o spicule está em foco no usuário interface (consulte a Figura 4 C). Gire o micrômetro FODS anti-horário até que a tensão de saída é aproximadamente 1.8 V.
  7. Use o deslizador de potenciômetro sobre o controlador do motor do eixo z para mover o palco Equation 1 direção enquanto observa o gráfico de tensão de saída na interface de usuário. Determine a posição aproximada em que o LPT entra em contato com o spicule procurando por uma mudança na tensão com mais movimento do palco. Retrair o palco aproximadamente 50 µm.
  8. Clique " começar a testar " e aguarde até que o teste de dobrando é concluído e o palco retorna para o Equation 5-posição inicial do eixo.
    Nota: A fase avançarão em incrementos de 2 µm (que está prescrito no passo 5.4 do protocolo) a Equation 1 direção, dobrando-se o spicule (ver Figura 5 C) até que uma das várias condições de parada é atendida. As condições de parada são: um) é alcançado o deslocamento de fase máxima de 0,5 mm; b) as quebras de spicule e o programa detecta uma grande queda na tensão da saída FODS; ou c) é atingido o limite de alta tensão de 4.5 V. Para parar a condição (a), o usuário será solicitado se eles gostariam de terminar o teste ou substituir o valor anterior. Quando ' substituir ' é selecionada, o usuário terá a oportunidade de incrementar o limite de deslocamento de fase ou inverter o sentido da etapa de deslocamento de fase para continuar a coleta de dados como o spicule é descarregado. A direção de incremento de deslocamento de fase também pode ser alterada clicando o " Reverse carregar " botão em qualquer ponto durante o teste. O arquivo de saída do teste de flexão tem a mesma estrutura do arquivo de saída de interpolação de tensão-deslocamento gerado na etapa 4.6 do protocolo. Ou seja, é uma lista delimitado por tabulação da média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras junto com o Equation 5-posição de fase do eixo em todas as fases incremento de deslocamento. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é usado junto com o arquivo de interpolação de tensão-deslocamento para calcular os deslocamentos do cantilever e deslocamentos de fase durante o ensaio de flexão. Posteriormente, a rigidez do cantilever é usada para calcular a força aplicada pelo LPT sobre o spicule.
  9. Após o teste completo, rode o micrômetro FODS anti-horário até o FODS é pelo menos 5 mm do espelho LPT. Em seguida, Retire cuidadosamente o palco de placa base fase.

Figure 5
Figura 5: procedimento para alinhar o LPT com trincheira ' s meados intervalo e realizando um teste de dobra (A) o LPT é posicionado abaixo da superfície superior da crista trincheira no final da etapa 5.1 do protocolo, mas ele ainda não está posicionado no meio vão. (B) a posição do LPT após a centralização procedimento descrito nos passos 5.2 e 5.3 do protocolo são concluídas. (C) A Micrografia de um spicule tomada durante o ensaio de flexão. O deslocamento de secção transversal de spicule sob o LPT, Equation 14, está marcado de forma esquemática. Escala de barras = 250 µm (A-C). clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Representative Results

As saídas mais básicas de qualquer teste mecânico são a magnitude da força aplicada para a amostra e o deslocamento no local onde a força é aplicada. No caso de um teste de flexão de três pontos, o objetivo é obter a magnitude da força aplicada pelo LPT, Equation 13 e o deslocamento de seção transversal do espécime sob o LPT no Equation 4 direção, Equation 14 . No entanto, para o dispositivo de teste mecânico descrito aqui, várias etapas pós-processamento devem ser executadas para transformar os dados de saída obtidos de passos 2, 4 e 5 do protocolo nisto desejado Equation 13 - Equation 14 dados. Os arquivos de dados obtidos a partir do teste de flexão de três pontos são: 1) o arquivo de interpolação de tensão-deslocamento; 2) o arquivo de calibração de força; e 3) arquivo de teste de dobra. Um resumo das quantidades medidos e derivadas é mostrado na tabela 1.

Símbolo Definição
Nh Número de valores de tensões no arquivo de saída de tensão-deslocamento interpolação
Vh Valores de tensão medidos na etapa 4 do protocolo
ΣVh Desvio padrão de Vh
zSoares Medida de posição de palco na etapa 4 do protocolo
Nc Número de medições de força no arquivo de saída de calibração de força
Fc Força aplicada pelos pesos de calibração na etapa 2 do protocolo
Vc Valores de tensão medidos na etapa 2 do protocolo
ΣVc Desvio padrão de Vc
zlc Posição do LP na etapa 2 do protocolo calculada usando Vh e Vc
wlc Deslocamento do LP na etapa 2 do protocolo, calculado a partir de zlc
Nt Número de medições de força e deslocamento no arquivo de saída do teste de flexão
zst Posição do palco na etapa 5 do protocolo
wst Deslocamento de fase na etapa 5 do protocolo
Vt Valores de tensão medidos na etapa 5 do protocolo
ΣVt Desvio padrão de Vt
zlt Posição do LP na etapa 5 do protocolo calculada usando Vh e Vt
wlt Deslocamento do LP na etapa 5 do protocolo calculado a partir de zlt
F Força aplicada pelo LP na etapa 5 do protocolo calculado a partir de zlt
w0 Deslocamento de seção transversal do spicule sob o LP na etapa 5 do protocolo

Tabela 1: Resumo dos símbolos usados para quantidades medido nos passos 2, 4 e 5 do protocolo e calculada na seção de resultados de representante.

A finalidade do arquivo de interpolação de tensão-deslocamento é relacionar tensões de saída medidas FODS para deslocamentos de LPT. Isto é feito pelo acoplamento rigidamente o LPT para a fase de tradução, assim que como o palco é movido Equation 1 direção, a mudança no Equation 5 -posição de fase do eixo é igual ao deslocamento de LPT (etapa 4 do protocolo). O arquivo de interpolação de tensão-deslocamento contém um conjunto de pontos de Equation 15 , onde Equation 16 é a média FODS saída tensão assumida 100 medições a uma taxa de amostragem de 1000 Hz, Equation 17 é o desvio-padrão associado de tensão 100 medições, Equation 18 é o Equation 5 -posição de fase do eixo e Equation 19 é o número da fase passos de deslocamento (ver Figura 6 (B)).

O arquivo de calibração de força permite a rigidez cantilever a medir para que deslocamentos LP podem ser usados para calcular a magnitude da força aplicada pelo LP. O arquivo de calibração de força contém um conjunto de pontos de Equation 20 , onde Equation 21 é a média FODS saída tensão assumida 100 medições a uma taxa de amostragem de 1000 Hz, Equation 22 é o desvio-padrão associado da 100 medições de tensão, Equation 23 é a força exercida pelos pesos sobre o LPT, e Equation 24 é o número de pesos de calibração utilizado. Observe que há dois pontos mais do que pesos de calibração porque o primeiro ponto é medido para zero aplicado a força e o segundo ponto para a força exercida pelo gancho do fio sozinho.

Finalmente, o arquivo de teste de dobra é usado para calcular Equation 14 e Equation 13 . Ele contém um conjunto de pontos de Equation 25 , onde Equation 26 é a média FODS saída tensão assumida 100 medições a uma taxa de amostragem de 1000 Hz, Equation 27 é o desvio-padrão associado a medições de 100 tensão, Equation 28 é o Equation 5 -posição de fase do eixo e Equation 29 é o númer dos passos de deslocamento de fase durante o ensaio de flexão.

Primeiro, o Equation 5 componente de posição do LPT durante a calibração de força, Equation 30 , usando o conjunto Equation 31 para mapear Equation 21 valores para Equation 32 valores através de interpolação linear. O Equation 5 componente do deslocamento LPT é dado pela Equation 33 , Equation 34 . Desde que os deslocamentos de LPT são pequenos em comparação com o comprimento do cantilever, a relação entre Equation 23 e Equation 35 parece ser linear. Portanto, a rigidez do cantilever pode ser computada por encaixe uma linha para o Equation 36 dados e computação a inclinação, Equation 37 . Um conjunto representativo de pontos Equation 36 e sua linha equipada correspondente são mostrados na Figura 6A. A rigidez do cantilever utilizado nas experiências de dobra foi 90,6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figura 6: resultados representativos da teste de flexão de três pontos (A) força e deslocamento dados (cinza) obtidos na etapa 2 do protocolo juntamente com o ajuste linear (azul) usado para estimar a rigidez do cantilever. (B) exemplo representativo dos dados contidos no arquivo de saída de tensão-deslocamento interpolação. Para uma medida FODS saída tensão, Equation 51 , a posição do palco, Equation 52 , pode ser obtido através de interpolação linear. Isto é usado para medir o deslocamento do cantilever, Equation 50 , durante a flexão de teste. Respostas de força-deslocamento representante (C) de 3 diferentes Aspersório E. espículas de sucesso testes de flexão de três pontos de ancoragem. (D) A resposta de força-deslocamento de um teste de flexão de três pontos malsucedido. A não linearidade da curva sugere que o spicule foi não corretamente assentado na fase de amostra e deslizou ou reorientar após o contato inicial foi feito com o LPT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Próximo, o Equation 5 componente de posição do LPT durante o ensaio de flexão, Equation 38 , usando o conjunto Equation 31 para mapear Equation 26 valores para Equation 39 valores através de interpolação linear. O Equation 5 componente do deslocamento LPT durante o ensaio de flexão é dada por Equation 40 , Equation 41 . O Equation 5 componente do deslocamento de fase durante o ensaio de flexão é dada por Equation 42 .

Desde que o LPT e o spicule estão em contato durante a totalidade do teste de flexão, o deslocamento de spicule, Equation 43 é dada por

Equation 44(1)

e a força aplicada pelo LPT, Equation 45 , é

Equation 46(2)

É importante notar que, desde o conjunto Equation 31 é usado para obter os dois Equation 32 e Equation 39 valores através de interpolação, os valores da Equation 47 e Equation 26 deve estar dentro do intervalo de Equation 16 . Isto é assegurado, definindo os valores apropriados para a tensão de partida e valores de paragem de alta tensão em passos 2, 4 e 5 do protocolo.

Figura 6 C mostra as curvas de força-deslocamento para três espículas representativas. Para Delgado, lineares elásticas estruturas carregadas em três pontos de dobra, Equation 13 deverá aumentar linearmente com Equation 14 para valores pequenos de Equation 14 30. Não-linearidade da Equation 13 - Equation 14 curva para pequenas Equation 14 (por exemplo, veja a Figura 6D) normalmente sugere que o spicule não pode ser encaixado corretamente na fase de amostra. Neste caso, o teste deve ser interrompido e o spicule reposicionado na fase de amostra (passo 3.6 do protocolo).

A fim de garantir a precisão suficiente do Equation 13 e Equation 14 medições, a mudança de tensão total ao longo do teste de flexão, Equation 48 , deve ser pelo menos 1 V. Se a mudança de tensão total é menos de 1 V, um mais compatível com cantilever deve ser selecionados.

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Discussion

Diversas etapas do protocolo são particularmente importantes para garantir que as forças e deslocamentos são medidos com precisão. Enquanto alguns destes passos críticos são universais para todos os testes de flexão de três pontos, outras são exclusivas para este dispositivo de teste mecânico.

Na etapa 1.2 do protocolo o espelho LP é limpo e inspecionado por arranhões e passo 1.6 do protocolo encontra-se o ganho FODS. É importante para o ganho e a refletância do espelho de LP para ser constante para as etapas de 2, 4e 5 do protocolo. Por esta razão, as etapas de dois calibração (etapas 2 e 4 do protocolo) devem ser realizadas imediatamente antes do ensaio de flexão (etapa 5 do protocolo).

Em passos 1.9 e 3.7 do protocolo, o palco é nivelado em relação a superfície da tabela de isolamento. Estes passos assegurar que Equation 2 é o componente da força perpendicular ao eixo longitudinal do spicule. O frame do dispositivo teste mecânico é fabricado para que o cantilever, espelho de LP e superfície do FODS são tudo paralelos à superfície da tabela de isolamento. Isto significa que o sensor de força vai medir o componente da força e do deslocamento normal à superfície da mesa de isolamento. Se a parte superior do palco é desalinhada por um ângulo Equation 53 em relação a superfície da tabela de isolamento, então o deslocamento medido do LPT será Equation 55 , onde Equation 54 é o deslocamento real na direção perpendicular a eixo longitudinal do spicule (ver Figura 7). Desde que Equation 56 , isso resulta em uma previsão das forças aplicadas e o sob previsão dos deslocamentos spicule por equações (1) e (2).

Figure 7
Figura 7: efeito de nivelamento em medições do deslocamento de fase. (A), o palco é inclinada em um ângulo, Equation 53 , em relação a superfície da tabela de isolamento e a superfície inferior do cantilever. (B) o deslocamento do LP na direção vertical, Equation 50 (consulte a Figura 1 (D)), é medido pelo FODS. É o componente do deslocamento na direção perpendicular ao eixo da spicule LP Equation 54 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Em etapas 5.1-5.3 do protocolo que o LPT é posicionado meada forma em toda a extensão da trincheira. Desalinhamento do LPT no que diz respeito a extensão meada resultará na amostra aparecem mais duras do que realmente é 31,32. Ou seja, o deslocamento do spicule será menor do que o que seria medido se a mesma força foram aplicada no meio vão. Este tipo de desalinhamento pode ser evitado não removendo o palco da placa base de palco ou ajustando o x-posição de fase do eixo após o processo de centralização é completa (etapas 5.1-5.3 do protocolo).

Uma limitação deste método é que, a fim de reduzir a incerteza de medição relativa das medições força e deslocamento, a rigidez do cantilever deve ser seleccionada para que as tensões de saída FODS abrangem toda a gama de 1,8 a 4,5 V durante a flexão teste. No entanto, esta faixa de tensão corresponde um deslocamento do cantilever de aproximadamente ≈250 µm, que é sensivelmente o mesmo que o deslocamento de spicule antes de falhar (consulte a Figura 6 (C)). Isso significa que o cantilever e a spicule têm stiffnesses semelhantes. Enquanto isto não é problemático para medir a resposta elástica e propriedades de resistência das espículas, isso impede que a medida exata das propriedades de resistência das espículas. Isso ocorre porque a fim de garantir uma medição precisa de propriedades de dureza, uma rachadura no spicule deve propagar em uma forma controlada, 33. Normalmente, isto só é possível se o dispositivo de teste é muito mais duro do que o espécime 33. Para aumentar a rigidez do dispositivo de teste, um sensor de deslocamento mais sensível poderia ser usado no lugar do FODS.

Enquanto o protocolo de teste flexão é demonstrado na Aspersório E. espículas, o dispositivo de teste mecânico pode ser usado para executar testes de flexão de três pontos em outros LBBSs e materiais sintéticos também. Este aparelho de teste mecânico é mais apropriado para amostras cujo intervalo de diâmetros transversal de 0,01 a 1 mm e para trincheira abrange variando de 1 a 10 mm. Para diâmetros maiores, o estágio de amostra deve ser redesenhado para que a amostra não pode rolar no palco. Isto não é um problema para fibras menores, como as espículas, porque a rugosidade da superfície do palco é suficiente para impedir que o espécime de rolamento. Os raios das bordas da trincheira e LPT também devem ser feitos maiores para evitar a introdução de dano local nos pontos onde a amostra é suportado 31,32. Além disso, a fase de nivelamento placa deve ser fixada na base do palco (ver Figura 4A) usando ¼"-20 cabeça parafusos sextavados de cabeça após etapa 3.7 do protocolo para evitar a fase de inclinação se forças superiores ≈1 N.

Por força de precisa e medição de deslocamento, rigidez do cantilever deve ser sempre muito menor do que a rigidez do quadro (≈107 N/m). Este requisito limita a força máxima que pode ser aplicada por este dispositivo a ≈25 N. Por conseguinte, é importante estimar a força máxima que um espécime pode suportar antes de executar um teste de flexão para determinar se este dispositivo pode ser usado para executar o teste.

Este trabalho fornece o protocolo, desenhos técnicos (ver complementar 1 arquivo) e software (consulte os arquivos de código complementar) para reprodução e usando nosso dispositivo de teste mecânico. Esperançosamente, este irá fornecer uma plataforma para medir com precisão o comportamento à flexão de muitos LBBSs diferentes. Essas medições são um pré-requisito para o desenvolvimento de uma compreensão mais profunda a relação entre a arquitetura de um LBBS e suas propriedades mecânicas.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation [mecânica de materiais e estruturas programa, atribuir número de 1562656]; e a sociedade americana de engenheiros mecânicos [Haythornthwaite Young Investigator Award].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard TMC 63-563 Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster Thorlabs DAS110 For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations Thorlabs 150-801ME For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes Thorlabs PT102 For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps Thorlabs DT25 For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps Thorlabs PT1B For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail Edmund Optics 54-401 For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-404 For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-403 For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 Edmund Optics 57-788 Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube Edmund Optics 56-125 Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube Edmund Optics 56-126 Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) Edmund Optics 53-787 Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective Edmund Optics 55-790 Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 Edmund Optics 38-944 Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide Edmund Optics 42-347 Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder Edmund Optics 55-718 Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera Edmund Optics 88-452 Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike Edmund Optics 68-586 Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage Thorlabs MS1S FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor Philtec D20 FODS
30V, 3A DC Power Supply Agilent U8001A Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ National Instruments USB-6009 DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage Thorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/M Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller Thorlabs TDC001 Motor controller for stage
T-Cube Power Supply Thorlabs TPS001 Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1) National Instruments Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) National Instruments Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body MVI MDA96000 Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider MVI MDB45305 Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer MVI MDN11920 Polarized light microscope
Power Cord - 7'6" MVI 79035 Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage MVI MDC45000 Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser MVI MBL16100 Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD MVI MBP60125 Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F MVI MBB93100 Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC MVI MAK10110 Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective MVI MUE42100 Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge Denis Brand N/A Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier McMaster Carr 1490T5 Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> Ted Pella 16011 Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab McMaster Carr 71035T31 Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife McMaster Carr 35575A68 Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm Ted Pella 260409 Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L Ted Pella 11806 Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish Ted Pella 5367-5NM Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer Edmund Optics 58-608 Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS ESD Plastic Containers FT-38-CAS Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level McMaster Carr 2147A11 Used for leveling the stage
Analytical Balance Mettler Toledo MS105DU Used to mass calibration weights

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Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

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