Biyolojik Tabanlı Akıllı Tasarım için Protokol: A Zemin Sampler Deniz Kestanesi Jaws dayanarak

Bu protokolün amacı, Aristoteles'in feneri olan deniz kestanesi ağızlığının doğal yapısını incelemek, biyo-esinlenmiş tasarımlarda biyolojik özelliklerin uygulanmasını test etmek için mühendislik analizi kullanarak bir tortu örnekleme prototipi geliştirmektir. Bu yöntem, biyo-ilham alan tasarım alanındaki temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir. Özellikle, deniz kestanelerinde omurgalı bir diş yapısı neden evrimleşti ve tortu örneklemesi için nasıl yararlı olabilir?

Bu tekniğin temel avantajı, çeşitli doğal yapıların biyo-esinli tasarım araştırmaları için genel bir çerçeve sağlamasıdır. Bu tür diğer yapılar arasında denizatı kuyruğu, kutu balığının izleri ve kirpi balığının dikenleri bulunur. Bunun sonuçları, teknik olarak, geliştirmeyi tescilli bir yüzey açığa çıkarması haline getirir, çünkü mineral direkler biyo-spar tortu örnekleyicileri ile uyumludur, küçük numuneleri verimli bir şekilde toplayabilir.

Genel olarak, bu yönteme yeni olan bireyler mücadele edecektir, çünkü her biyo-esinlenmiş protokolün hedefleri, incelenen doğal yapının türüne bağlı olarak değişecektir. Deniz kestanesini çözdürdükten sonra, dişlerin uçları yukarı bakacak şekilde diseksiyon için ayarlayın. Ve Aristoteles'in fenerinin çevresindeki bağ dokusunu kesmeye başlayın.

Ardından, feneri dikkatlice kaldırın ve akan damıtılmış su ile durulayın. Dışarıdaki kalan dokuyu çıkarmak için forseps kullanın ve dişleri çıkarmak için feneri dikkatlice açın. Alternatif olarak, tekrar su ile durulanan kurumuş bir fener, dişlere daha kolay erişim sağlamak için parçalanacaktır.

Şimdi, bir diş alın ve dikkatlice taze hazırlanmış bir epoksi tüpüne batırın. Kavisli içbükey tarafı yukarı bakacak şekilde konumlandırın ve dişin tüp duvarına temas etmesine izin vermeyin. Daha sonra epoksinin oda sıcaklığında 24 saat kürlenmesine izin verin.

Ertesi gün, dişin etrafındaki epoksiyi yaklaşık bir santimetreküp boyuta kadar çıkarmak için bir kesit testeresi kullanın. Ardından, 125 numaralı veya daha yüksek bir kaba zımpara kağıdı parçasıyla ve hafif basınç kullanarak, numuneyi beş dakika boyunca bir yönde ovalayın. Kademeli olarak 2400 sayısına kadar daha ince ve daha ince zımpara kağıtlarına geçin.

Her zımpara kağıdı kumu için numuneyi 90 derece döndürdüğünüzden emin olun. Her zımpara kağıdı kumu için sürtünmenin her zaman aynı yönde olduğunu doğrulamak için gerektiği gibi bir mikroskop kullanın. Zımparalamadan sonra, bir mikro bezi hacimce yüzde 50 yarım mikron alüminina cila ile suda nemlendirin.

Ardından numuneyi beş dakika boyunca ileri geri hareketlerle ovalayın. Parlatma işleminden sonra, numuneyi temizlemek için parçacıksız kağıt mendil kullanın ve ardından saklamak için aynı kağıda sarın. Ardından, taramalı elektron mikroskobu kullanarak dişin mikro yapısını karakterize edin.

Bir püskürtme tabakası uyguladıktan sonra, numunenin 250 ila 500x mikrograf görüntüsünü alın. Daha sonra, bütün pembe deniz kestanesinin ve yeni kesilmiş Aristoteles'in fenerinin mikrobilgisayarlı tomografi taramalarını yapın. Numuneleri görüntüleme odasındayken nemli bir doku üzerine yerleştirin.

Vücut için, 100 tepe kilovoltaj ve 100 miliamperde 36 mikronluk izotropik voksel boyutu ile tarayın. Fener için, 70 tepe kilovoltaj ve 141 miliamperde yaklaşık dokuz mikronluk bir izotropik voksel boyutuyla tarayın. Her ikisi için de tek nokta sıfır milimetre alüminyum filtre kullanın.

Mikro CT taramaları ve CAD modellemesi kullanılarak, doğal Aristoteles'in fenerinden beş kat daha büyük olan kapalı fener için altı santimetre yüksekliğinde ve sekiz santimetre çapında beş kavisli diş ile biyo-esinli bir tasarım üretildi. Biyo-esinli çenenin her bir bileşeni için 3D baskı için STL dosyaları üretin. Önce akrilonitril bütadien stiren plastiği yükleyerek 3D yazıcıyı hazırlayın ve plastik malzeme kartuşlarını destekleyin.

Ardından, önce tabandaki tırnakları tepsideki yuvalarla hizalayarak modelleme tabanını z platformuna yerleştirin. Şimdi STL dosyasını açın parçalar ve aynı anda tek tek fener parçalarını yönlendirmek ve yazdırmak için görüntü ekranı adımlarını izleyin. Burada, bir eklem kolun 3D yazdırılması için bir örnek gösterilmektedir.

Dosyaları yazdırdıktan sonra, modelleme tabanını sekmelerden serbest bırakın ve tabanı tepsi kılavuzları boyunca yazıcıdan dışarı doğru kaydırın. Ardından, yazdırılan parçaları tabandan kaldırmak için metal bir spatula kullanın. Ayrıldıktan sonra, basılı parçaları, destek plastik malzemesi çözülene kadar ısıtılmış bir taban banyosuna yerleştirin.

Şimdi, her iki taraftaki e-tutma halkalarını kullanarak her dişi bir bağlantı çubuğuyla bir eklem koluna sabitleyin ve biyo-ilham alan Aristoteles'in fenerini monte edin. Biyo-esinlenmiş diş için CAD dosyasını kullanarak bir sonlu eleman modelleme stres analizi testi gerçekleştirin. İlk önce dosyayı açın.

Yeni bir çalışma başlatın. Ve sabit bir geometri ile statik bir test çalıştırmayı seçin. Ardından, pimlerin gideceği montaj deliklerine fikstür eklemek için arayüzlere tıklayın.

Ardından, harici yüklerin kuvvetini ayarlayın. Kenarlara 45 Newton'luk bir kuvvet uygulamak için diş gıcırdatma ucu yüzlerine tıklayın. Şimdi, yerçekimini ayarlayın.

Üst düzlem ayarında, yerçekimi kuvvetinin düzleme normal olarak uygulanması gerektiğini belirtin. Ardından, tasarım yüzeyinde bir ağ oluşturun ve ağ yoğunluğunu ince olarak ayarlayın. Şimdi, omurgası olan ve olmayan bir diş arasında karşılaştırma yapmak için testi çalıştırın.

Renkli bir ölçek, stresin en yüksek olduğu alanları gösterecektir. Deniz kestanesi dişinin ve Aristoteles'in fenerinin non-invaziv görüntülemesi, biyo-esinli bir tasarımın üretilmesinde etkili oldu. Dişin mikro yapısının SEM ile detaylı analizi, diş gıcırdatma ucundaki magnezyum bakımından zenginleştirilmiş taş parçasının yapısal önemini doğruladı.

Plaka ve fiber birincil elemanlar, diş taşlama ucunun en sert taş bölgesindeki ikincil elemanlardan oluşan bir matris ile birbirine bağlanır. Daha koyu gri renkte gösterilen daha sert taş kısmı, kalsiyum atomlarının yerini alan yüzde 40'a kadar magnezyum atomlarından oluşur. Böylece, biyo-esinli fener CAD yazılımı ile tasarlandı, 3D olarak basıldı ve monte edildi.

Tasarımın nihai amacı kum toplamaktır. Omurganın tasarımdaki önemi, CAD tasarımı üzerinde bilgisayarlı stres testleri kullanılarak test edilmiştir. 45 Newton uygulanan kuvvet için, omurgalı diş tasarımının yaşadığı maksimum stres yaklaşık yüzde 16 daha azdı.

Bununla birlikte, omurga tasarımın kütlesine sadece yüzde dört ekler. Biyo-esinli bir tasarım protokolü denerken, doğal yapının canlı formunda dikkatli bir şekilde gözlemlenerek veya mikro CT ve SEM gibi invaziv olmayan karakterizasyon yöntemlerinin kullanılmasıyla başlamak önemlidir. Genel prosedürü takiben, diğer doğal yapılardan biyo-esinlenmiş tasarımlar, çok çeşitli mühendislik alanlarındaki faydalı uygulamalarda uygulanabilir.

Profesör Michael Porter'ın çalışmalarına dayanan son biyo-keşif adımı, deniz kestanesi dişindeki omurga yapısının mekanik avantajını ölçmek için mühendislik analiz yöntemlerinin kullanılması için özellikle gereklidir.