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

1Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, 3Integrative Oceanography Division, Center for Marine Biodiversity and Conservation, Scripps Institution of Oceanography, 4Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography
Published 4/24/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Frank, M. B., Naleway, S. E., Wirth, T. S., Jung, J. Y., Cheung, C. L., Loera, F. B., et al. A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws. J. Vis. Exp. (110), e53554, doi:10.3791/53554 (2016).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Поля биологии, биологические науки о материалах, биоматериалы, биоинженерии и биохимия используют премьерные научные методы и умы в попытке обеспечить более глубокое понимание невероятной природы. Это исследование объяснил многие из самых удивительных биологических структур и организмов; от внутренней прочности кости человека 1,2 до большого клюва тукан 3. Тем не менее, большая часть этих знаний трудно использовать таким образом, что может обеспечить выгоду для общества. В результате, касательное поле bioinspiration использует уроки, извлеченные из природы современных материалов для решения общих проблем. Примеры включают супергидрофобные поверхности , навеянные 4-6 листьев лотоса, клейкие поверхности , навеянные ног гекконов и насекомых 7,8, жесткая керамика , вдохновленные перламутра из ушка 9-11 и биопсии комбайнов , вдохновленных мундштука морского ежа, а также знатьп , как фонарь Аристотеля 12,13.

Морские ежи являются беспозвоночные животные, покрытые шипами, чья среда обитания наиболее часто состоит из скалистых мест на дне океана. Тело (так называемый тест) в крупнейших видов ежей может быть более 18 см в диаметре; размер тест в розовых морских ежей (Strongylocentrotus ломкая) исследовали в данном исследовании , может вырасти до диаметром 10 см. Фонарь Аристотеля состоит из пяти зубов преимущественно карбоната кальция , поддерживаемых пирамидальных структур , состоящих из минерализованной ткани и расположены в куполообразной формирования , которые окружают все , кроме дистальных шлифования кончики зубов (Рис . 1А)

Мышца структура челюсти способна эффективно жевать и очищая даже против жестких океанических пород и кораллов. Когда челюсти открыты, зубцы выступают наружу, и когда челюсти близко, зубы убирается внутрь в одном гладком движении. Сравнение между primitivе (выше) и современные (ниже) морского ежа зуба сечения (рис 1B) указывает на то, что завалился зуб эволюционировали , чтобы укрепить зуб при шлифовке против твердых субстратов. Каждый зуб имеет слегка выпуклую кривизну и Т-образную морфологию в поперечной плоскости (перпендикулярной направлению роста) в связи с продольно прикрепленным килем (рис 1C, D).

Bioinspiration начинается с наблюдения интересных природных явлений, таких как эффективное движение жевательную фонаря Аристотеля в морских ежей. Эта естественная структура изначально пленила Аристотеля, потому что она напоминала ему рог фонаря с Стекла рога опущены. Более двух тысячелетий спустя, Скарпа был очарован сложностью фонарем Аристотеля , что он и позже Trogu имитирующий естественное движение жевательную используя только бумагу и резиновых полос (рис 2А) 15,16. Точно так же, Елинек был биоинспирированных в Cрубать движение фонаря Аристотеля и разработал лучшую харвестер биопсии , которая может безопасно изолировать опухолевой ткани без распространения раковых клеток (рис 2B, C) ​​12,13. В этом случае биоинспирированных конструкция была использована, чтобы сделать биомедицинского устройства, которые соответствуют особой необходимости требуемого применения.

Протокол дизайн, описанный здесь относится к наносов пробоотборник биоинспирированных морскими ежами. Через биологические науки о материалах, естественная структура фонаря Аристотеля характеризуется. Биоинспирированных дизайн определяет потенциальные возможности применения, где природные механизмы могут быть улучшены за счет использования современных материалов и технологий изготовления. Окончательный дизайн повторно рассмотрен через призму bioexploration, чтобы понять, как естественная структура зуба эволюционировали (Рисунок 3). Последний шаг bioexploration, предложенный Портером 17,18, использует методы инженерного анализа на еXplore и объяснить биологические явления. Все важные этапы процесса bioinspiration представлены в качестве примера для освоения технологии, будетодобрен по своей природе, которые могут быть использованы для решения современных проблем. Наш протокол, руководствуясь предыдущими процедурами bioinspiration , представленных для конкретных приложений по Арцт 7, предназначена для биологов, инженеров и всех , кто вдохновлен природой.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Биологические материалы Наука

  1. Использовать средства индивидуальной защиты (например, перчатки, защитные очки и лабораторный халат) и соблюдать все применимые правила техники безопасности для использования рассекает инструментов.
  2. Смывать пинцет и скальпель с дистиллированной водой, чтобы использовать для рассечения.
  3. Разморозить замороженную розовый морского ежа при комнатной температуре в течение 1 часа. Поместите талой образец в стеклянную посуду с достаточным пространством, чтобы иметь возможность маневрировать ежей и режущих инструментов. Поверните ежа с ног на голову так, чтобы кончики зубов лицевой стороной вверх.
    1. Срежьте соединительной ткани по всему периметру фонаря Аристотеля с скальпелем и осторожно выньте фонарь. Ополосните фонарь выключен с проточной дистиллированной водой. Удаление неиспользуемой части ежа в надлежащем контейнер для отходов.
    2. Включите фонарь Аристотеля снова, так что кончики зубов лицевой стороной вниз. Найдите конец plumula каждого зуба (напротив наконечника) лицевой стороной вверх и с помощью щипцов для уходаполностью выскользнуть отдельные зубы от фонаря.
  4. Подготовка эпоксидной смолы к горшку зубы. Взвесить 5 г смолы и добавляют 1,15 г отвердителя (например, 100 частей смолы на 23 частей отвердителя по весу) в неглубокой располагаемого пластиковый лоток. Смешайте содержимое вместе медленно без образования пузырьков.
    Примечание: Не оставляйте остатки эпоксидной смолы смешанный в контейнере с недостаточным воздействием атмосферы. Процесс отверждения является экзотермической и может вызвать воспламенение воспламеняющиеся. Хранить любые остатки эпоксидной смолы, смешанной в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу вдали от легковоспламеняющихся предметов.
    1. Смажьте пластиковую трубку 2,5 драмовый (22 мм внутренний диаметр, 39 мм длина) с помощью вазелина с нанесенным пальцем и вытрите излишки ткани. Наполните наполовину трубки со смешанным эпоксидной смолой.
    2. Используйте пинцет, чтобы забрать зуб и осторожно погрузить его в эпоксидной смоле с изогнутой вогнутой стороной вверх. Пусть эпоксидную отверждение при комнатной температуре в течение 24 часов.
      Примечание: Не допускать кончик зуба с дрейфующих на ощупьпластиковая стенка трубки в качестве эпоксидных лечений, так как это сделает полирования наконечник более трудным.
  5. Поместите пластиковую трубку с эпоксидная в тисках. Затяните тиски медленно до тех пор, пока трещина выполнен в пластиковой трубке. Пил от остатков пластмассы из эпоксидной поверхности.
    1. Используйте секционирования видел , чтобы сократить эпоксидную смолу вокруг зуба вниз к меньшему блока (1 см 3).
  6. Подготовьте чистую зону для полировки и установить плоскую рабочую станцию ​​с жестким пластиковым борту. Заполните шприц бутылку с дистиллированной водой.
    1. Начнем с самой низкой доступной наждачной бумаги (например, 120) и выдавить небольшое количество воды из промывочной бутылки на наждачную бумагу. Использование светового давления, тереть образца в одном и обратно направлении (например, слева направо) в течение 5 мин.
    2. Смойте поверхность образца над раковиной и сотрите с частицами свободной ткани. Удалите остатки наждачной бумаги зернистостью сжатым воздухом в течение 15 сек.
    3. Используйте прогрессивно более высокую зернистости наждачной бумаги (например, 600 и 2400) , чтобы повторить шаги протокола 1.6.1 и 1.6.2. Использование светового давления, тереть образец в спину и вперед в направлении , перпендикулярном к предыдущему шагу для ногтей (например, вверх-вниз, влево-вправо).
      Примечание: Используйте светового микроскопа при увеличении 20Х , чтобы увидеть перпендикулярные царапины пересекаются с каждым уровнем зернистости (например, 120, 600, 2400). Переход к следующему более высокому наждачной бумаги, когда царапины от предыдущего уровня зернистостью исчезают.
    4. Подготовьте шприц бутылку с 3-мкм полировки алмазов суспензии в соотношении 1: 1 дистиллированной водой раствора. Используйте польский ткань для алмазных суспензий повторить шаги протокола 1.6.1 и 1.6.2.
    5. Подготовьте шприц бутылку с 0,5 мкм полирования оксида алюминия суспензии в соотношении 1: 1 дистиллированной водой раствора. Используйте поверхность microcloth полирующий повторить шаги протокола 1.6.1 и 1.6.2.
      Примечание: тонкие царапины от протокола шаги 1.6.4 и 1.6.5 не будет visibле при 20х увеличении. Для этих шагов протокола, польский в течение 5 мин в возвратно-поступательное движение, чтобы удалить все предыдущие царапины.
    6. Очистите полированную поверхность с дистиллированной водой и использовать не содержащую частиц ткани сжатым воздухом тщательно сухой. Обертка с частицами свободной ткани для поддержания зеркальной полированной.
      Примечание: Сухие все полирования поверхностей лицевой стороной вниз на больших частиц, свободных тканей. Хранить в пластиковый рукав, чтобы избежать частиц пыли, оседающих на поверхности между полирующих раз.
  7. Охарактеризовать морского ежа зуба микроструктура с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). С помощью устройства для нанесения покрытия на распылени разбрызгивание иридий с током осаждения 85 мА в течение 10 секунд на полированной поверхности зуба для покрытия толщиной ~ 20 нм.
    1. Получить микрофотография изображения на 250X - 4,000X увеличении с использованием СЭМ.
      Примечание: Используйте 5 кВ в режиме с помощью сканирующего электронного (SE) и 15 кВ в режиме отраженных электронов (ОЭ). Используйте режим BSE для идентификации кальцита выдумкаERS перемежаются с Mg-обогащенной поликристаллической матрицы.
  8. Выполните микро-компьютерной томографии (μ-CT) сканирование всего розового морского ежа и в свеже расчлененный фонарь Аристотеля. Поместите каждый образец размороженной внутри закрытой камеры контейнера с увлажненной тканью, чтобы обеспечить во влажной среде при сканировании.
    1. Сканирование весь ежей и фонарь Аристотеля по мю-КТ с изотропным размером воксела от 36.00 мкм и 9,06 мкм соответственно. Применить электрический потенциал 100 кВп и 70 КВП с током 100 мА и 141 мА, для всей ежа и фонарем Аристотеля, соответственно, с помощью фильтра из алюминия 1,0 мм для обеих сторон.
    2. Примените алгоритм коррекции луча упрочнения при реконструкции изображения для учета пучка упрочнения артефактов, которые являются результатом μ-CT рентгеновского источника, излучающего рентгеновские лучи нескольких энергий с использованием протокола производителя.
  9. Используйте программное обеспечение обработки изображений для более точного ИмаСегментация GE и приобрести модель сетки треугольника для структуры фонарь Аристотеля.
    1. Загрузка и просмотр фонарь данные изображения Аристотеля из μ-КТ. Матч размер воксела (9,06 мкм) до значений из микро-КТ.
    2. Используйте функцию объема рендеринга для визуализации фонарь Аристотеля в 3D-пространстве. Отрегулируйте ортогональный срез 2D с модулем ограничивающего параллелепипеда и отрегулируйте пороговое значение / цвет с модулем Volume Rendering.
    3. Сделайте сегменты маски для области , представляющей интерес (например, морского ежа зуба) с помощью редактора сегментации. Выберите XY, YZ и плоскости XZ и 3D изометрии. Используйте волшебную палочку (черная стрелка), чтобы различать простые структуры (зуб против пирамиды) в фонарем Аристотеля.
    4. Реконструировать поверхности модели из извлеченных сегментов маски. Выберите модуль Surface Generation и применять. Отмените Volume Rendering Settings иметь видимой верхней поверхности исчезают. ДобавитьПоверхностный Посмотреть модуль для отображения результата поверхности.
    5. Упрощение модели поверхности за счет уменьшения числа граней до <18,000.
    6. Редактировать отдельный треугольник сетки на поверхности модели по мере необходимости. Сохраните модель в виде файла стереолитографии (STL) для экспорта для использования с программным обеспечением проектирования (САПР) моделирования с помощью компьютера.

2. биоинспирированных Design

  1. Используйте фонарь Аристотеля из микро-КТ в качестве эталона, чтобы сделать дизайн с биоинспирированных моделирования программного обеспечения САПР.
    Примечание: биоинспирированных конструкция имеет пять изогнутых зубов с высотой 6 см и диаметром 8 см для закрытого фонаря. Он масштабируется до ~ 5x от размера фонаря естественного Аристотеля.
  2. Сохраните STL части файла на флэш-диск и загрузить файлы моделирования конденсированное осаждения (FDM) 3D-принтер.
    1. Нагрузка акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС) пластик и поддержка пластиковых материалов картриджи в соответствующие слоты 3D рrinter.
    2. Вставьте моделирования базы на Z платформы и совместите выступы с пазами на металлическом поддоне.
    3. Открыть каждой из частей файла STL и следуйте инструкциям на экране дисплея, чтобы распечатать все фонарь части одновременно.
      Примечание: Фонарь части должны соответствовать в пределах оболочки здания (25 х 25 х 30 см 3) для 3D - принтера. Все пять зубов расположены на модельной основе и печатается одновременно с вершиной зуба была обращена вверх. Скорость сборки составляет 16 см 3 в час , а общее время сборки составляет около 8 часов.
    4. Отпустите моделирования базы из вкладок, когда все части файла печатаются и сдвиньте основание из 3D-принтера вдоль направляющих лотка.
    5. Используйте металлический шпатель, чтобы вырвать все детали с основания и металлического файла измотать каких-либо дополнительных пластика, прикрепленный к деталям.
    6. Поместите напечатанные детали в базовую отопленным, пока материал не растворится поддержки пластиковых.
  3. Закрепить каждый зуб совместной руки с ЛиН. К. стержень и два E удерживающие кольца с обеих сторон.
    Примечание: Обратитесь к рисунку 6 для сборки фонаря биоинспирированных Аристотеля.

3. Bioexploration

  1. Используйте файл CAD для биоинспирированных зуба, чтобы сделать тест анализа напряжений моделирования методом конечных элементов (МКЭ).
    1. Откройте файл (xx.sldprt), чтобы сделать дальнейший технический анализ. Над вкладке "Office Products", нажмите кнопку "SolidWorks Simulation".
    2. Над вкладке "Моделирование", нажмите кнопку "Study Advisor", а затем в раскрывающемся вариант "Новое исследование".
    3. Выберите тип теста моделирования для запуска, выбрав "Static".
    4. В статическом списке Test, щелкните правой кнопкой мыши на "Светильники" и выберите "фиксированной геометрии".
    5. Нажмите на внутренних сторонах, чтобы добавить арматуру в монтажные отверстия, где штифты будут идти.
    6. В статическом списке Test, щелкните правой кнопкой мыши на "Внешние нагрузки" и SELECт "Сила".
    7. Нажмите на зуб шлифовального наконечник лица применить силу 45 Н к краям.
    8. В статическом списке Test, щелкните правой кнопкой мыши на "Внешние нагрузки" и выберите "Гравитация".
    9. Укажите "верхнюю плоскость" для гравитационной силы, приложенной по нормали к плоскости.
    10. В статическом списке Test, щелкните правой кнопкой мыши на "Mesh" и выберите "Create Mesh".
    11. Переместить масштабную линейку для "Mesh Плотность" все пути вправо для "тонкой".
    12. В статическом списке Test, щелкните правой кнопкой мыши на "Static" и выберите пункт "Выполнить", чтобы запустить тест.
      Примечание: цветной шкалы бар для областей самого высокого напряжения и "текучести".
  2. Сравните результаты испытаний стресс-анализа для биоинспирированных зуба с и без киля.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Биоинспирированных конструкция устройства для взятия проб фонарь Аристотеля в значительной степени зависит от качества методов определения характеристик используемых. Неинвазивные методы , как мю-КТ полезны для анализа весь фонарь и отдельные зубы , чтобы применить конкретные приложения для улучшения биоинспирированных дизайна (рисунок 4). В то же время, зуб микроструктура можно исследовать с помощью вторичных электронов и обратно рассеянных электронов микрофотографии полированного поперечного сечения отдельного зуба (рисунок 5). Чем темнее серый регион, тем труднее камень часть зуба шлифования наконечника и состоит до 40 моль атомов% магния, которые замещают атомы кальция.

Анализ микроструктуры зуба с BSE-SEM (рисунок 5) подтвердил структурную важность Mg-обогащенной каменной части в зубе размола наконечника. Тарелка и волоконно-примаЭлементы Ry (кальцит монокристаллы, светло - серым на рисунке 5С) соединены друг с другом с помощью матрицы вторичных элементов (кальцита и карбонат магния поликристаллов, темно - серым на рисунке 5С), которые составляют самую тяжелую каменную область зуба шлифования наконечника.

Биоинспирированных фонарь был разработан с САПР, 3D печатных и собран (рисунок 6) для сбора песка на пляже (рисунок 7). Тесты стресс - анализа были использованы для расчета Мизеса стресс двух конструкций зуба, один без киля (фиг.8А) , а другой с килем (рис 8B). Твердая сетка состоит из тетраэдров работал над геометрией зуба. Значение силы выбрано (45 Н) соответствует измерения от испытаний на пляже, чтобы проникнуть на 1 см вглубь жесткий песок с фонарем зубов перпендикулярно к поверхности.

(7А, В). Массовое увеличение мала по сравнению с уменьшением напряжения, которое обеспечивает киль. Снижение стресса демонстрирует эффективность этого биоинспирированных конструкции для концентрации напряжений в пределах килевидной региона.

Рисунок 1
Рисунок 1. Морской еж Аристотеля фонарь и зуб морфологии. (А) Крупным планом вентральной зрения морского ежа (слева) и фонарь Аристотеля (справа) 13. (B) Перекрестные секцийрифленые зуб примитивной cidaroid ежа (вверху) и килевидной зуба современного camarodont ежа (внизу) 14. (C) Выделенный зуб видел со своей стороны с наконечником (внизу) и указал киль (левая сторона) 20. (D) , СЭМ изображение полируется зуба поперечного сечения с указанной киля (внизу) 20. Изображения , адаптированные из указанных ссылок для (A), (B), (C) и (D). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. биоинспирированных конструкции на основе фонарем Аристотеля. (А) изометрический вид рисунка для бионической модели фонаря Аристотеля, который имеет 3D печатное пластиковый рискусства , соединенные резинками (не показаны) для подсоединенного мускулатуре 16. (B, C) ​​Фонарь Аристотеля служил в качестве биологического вдохновения для харвестера биопсии 13. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Четыре стадии процесса bioinspiration. ( По часовой стрелке слева) Процесс bioinspiration начинается с обучения от природы путем наблюдения розового морского ежа и фонарем Аристотеля. (Сверху) Анализ морского ежа и фонарь структура Аристотеля от μ-КТ (слева). (Справа) собираемым результаты используются для генерации биоинспирированных дизайн прототипа. (Внизу) методы инженерного анализа были применены для изучения биологического PhenОмена и биоинспирированных дизайн 17,18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Микро-компьютерная томография анализ структуры фонарем Аристотеля. (A) Вид сбоку пирамиды структур , которые помогают поддерживать зубы. (Б) морских ежей зубов укладывают поверх друг друга и имеют пятикратное симметрию. (C) дистальных наконечника удаляются , чтобы показать продольно прикрепленные киль структуры для всех пяти зубов. (D) Индивидуальный зуб и киль (синий) с соответствующей пирамиды (желтый) показаны , а также указаны в (C). Пожалуйста , нажмитездесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) анализ зубов морского ежа микроструктуры. (А) СЭМ микрофотография полированной зуба поперечного сечения со слабым области каменной полосой и киля (внизу) указано. (B, C) ​​Backscattered электронного сканирующего электронного микроскопа микрофотографии фиолетовых и оранжевых коробок из (А) показывают изогнутую пластину и круглые элементы первичного волокна кальцита , расположенные над более плотной Mg-обогащенной поликристаллического матрицы (более темного серого цвета). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
фигура6. Собранный 3D напечатанные биоинспирированных фонарь части Аристотеля. (A) E удерживающие кольца и стержни ссылку используются для крепления 3D напечатаны части зуба в трех совместных позиций. (B) в собранном виде фонарь биоинспирированных Аристотеля с одного зуба удаляется. (C) Вид киля для отдельных зубов и изменение общих позиций , когда фонарь частично (слева) и полностью открыт (справа). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7. Конструкция фонаря биоинспирированных Аристотеля и использование на пляже. (A, B) Компьютерные автоматизированного проектирования изображения фонаря биоинспирированных Аристотеля в закрытом состоянии и полностью открыты, соответственно. (C) 3D - напечатанные биоинспирированных фонарь Аристотеля собраны различные виды песка на пляже. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8
Рисунок 8. биоинспирированных Испытание морского ежа анализ зуба стресс. (A, B) конечных элементов показывает не-килеватые (А) по сравнению с килевидной (B) зуба , когда сила приложена на краях зуба. Завалился дизайн зуб испытал ~ 16% меньше стресса из - за добавления киля. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Морские ежи используют фонарь Аристотеля (рис 1А) для различных функций (кормления, расточные, роторные и т.д.). Окаменелостей указывает на то, что фонарь развивалась по форме и функции от самого примитивного типа cidaroid к типу camarodont современных морских ежей 14. Cidaroid фонари имеют продольно рифленые зубы (Фигура 1В, верхняя часть ) и неразделенными прикрепления мышц к своей пирамидальной структуры. Это ограничивает их движение вверх и вниз , и лишает их большей выскабливание мощности , генерируемой боковое движение, которое наблюдается в более современных camarodont фонарей (рис 1В, внизу). Биологи предположили , что завалился зуб (рис 1C, D) развивались в camarodonts укрепить зуб под сильным растягивающих сил , генерируемых соскабливания твердых подложек 18,20,23.

Биоинспирированных протокол дизайн в этой работе в сочетаниибиология, биологические науки о материалах, биоинспирированных дизайн и bioexploration (рисунок 3) разработать биоинспирированных устройство с определенной функцией для осадка выборки. Μ-КТ фонарь Аристотеля (рисунок 4) был импортирован как файл STL только для справки , так как окончательный дизайн пробник не имитируют сложную прикрепление мышц в естественной структуре. Вместо этого биоинспирированных конструкции используют более простой механизм открывания и закрывания с частями, которые могут быть изготовлены легко с помощью 3D-принтера для сборки в фонарем пробоотборник Аристотеля. В целом, мы использовали круговой подход к биоинспирированных конструкции, так как шаг позволил bioexploration для новых выводов, которые должны быть извлечены из естественной биологии. Потенциальные модификации биоинспирированных конструкции могут обращаться различные приложения, кроме проб донных отложений. Ограничение этого протокола заключается в том, что она ориентирована на одного конкретного применения биоинспирированных процесса для устройства на основена фонарем Аристотеля. Однако протокол изложенные здесь могут быть применены к анализу, разработке и окончательной изготовления других биоинспирированных конструкций, основанных на биологических образцах.

Первичное применение этого в собранном виде биоинспирированных Аристотеля фонарь пробоотборник (рисунок 6) был для сбора сыпучих и уплотненный песок (рисунок 7). Забегая вперед, НАСА имеет план , чтобы вернуть марсианские образцы на Землю , используя образец обратный ровер после череды миссий в течение многих лет 29. Образец обратный марсоход оснащен фонарем пробоотборник биоинспирированных Аристотеля может быть полезным для будущих миссий. Меньшая пробоотборник, который напоминает размер фонаря естественного Аристотеля также могут быть полезны для других применений. Анизотропия твердости в естественных ежа зубов, в то время как интересно в своем собственном праве, не был включен в этом биоинспирированных дизайн.

Bioexploration Кeeled по сравнению с не-килеватые зубов подтвердили важную структурную цель килем в естественных морских ежей (рисунок 8). Результат bioexploration предоставляет данные, которые помогают объяснить, почему современные морские ежи развивались киль структуры. Мы признаем , что Портер 17,18 был первым предложил шаг bioexploration применяться в этой работе, что имеет важное значение для использования методов инженерного анализа для количественного определения механическое преимущество килевой структуры в морских ежей зуба. Будущее биоинспирированных дизайн, который соединяет естественное наблюдение, биологические материалы, наука, биоинспирированных дизайн и bioexploration может быть полезным для включения глубже коренится знакомство с принципами естественного проектирования.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62, (6), 41-47 (2009).
  3. Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53, (20), 5281-5296 (2005).
  4. Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14, (24), 1857-1860 (2002).
  5. Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38, (8), 644-652 (2005).
  6. Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18, (23), 3063-3078 (2006).
  7. Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26, (8), 1245-1250 (2006).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57, (10), 2919-2932 (2009).
  11. 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).
  12. Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8, (1), 015002 (2014).
  13. 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).
  14. Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52, (5), 1149-1168 (2009).
  15. Scarpa, G. Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. Bologna, Italy. (1985).
  16. Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. Living Machines 2014: 3rd International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems, Barcelona, Spain, (2014).
  17. 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).
  18. Porter, M. M. Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. University of California. San Diego. (2014).
  19. De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. CRC Press. (1982).
  20. Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21, (4), 682-690 (2011).
  21. Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48, (3), 1-95 (1974).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24, (2-3), 103-114 (1977).
  25. 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).
  26. Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509, (7500), 272 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats