Bioinspired डिजाइन के लिए एक प्रोटोकॉल: एक जमीन नमूना समुद्री साही जॉज़ के आधार पर

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
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Bioengineering

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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).

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Abstract

Introduction

जीव विज्ञान के क्षेत्र, जैविक पदार्थ विज्ञान, biomaterials, जैव प्रौद्योगिकी और जैव रसायन अविश्वसनीय प्राकृतिक दुनिया के एक गहरी समझ प्रदान करने के प्रयास में प्रीमियर के वैज्ञानिक तकनीकों और दिमाग को रोजगार। इस शोध के लिए सबसे अद्भुत जैविक संरचनाओं और जीवों की कई समझाया गया है; मानव हड्डी 1,2 के आंतरिक बेरहमी से टूकेन 3 की बड़ी चोंच के लिए। हालांकि, इस ज्ञान का ज्यादा एक तरह से है कि समाज के लिए एक लाभ प्रदान कर सकते हैं में काम करने के लिए मुश्किल है। नतीजतन, bioinspiration की स्पर्शरेखा क्षेत्र आम समस्याओं को हल करने के क्रम में सबक प्रकृति से आधुनिक सामग्री के लिए सीखा कार्यरत हैं। उदाहरण कमल से प्रेरित superhydrophobic सतहों पत्ते 4-6, चिपकने वाला गेको के पैरों से प्रेरित सतहों और 7,8, कठिन मोती का सीप 9-11 और समुद्री साही के मुखपत्र से प्रेरित बायोप्सी हार्वेस्टर की सीप से प्रेरित मिट्टी के पात्र कीड़े, भी शामिल जाननाn अरस्तू के लालटेन 12,13 के रूप में।

सागर अर्चिन अकशेरुकी कांटा जिसका वास सबसे अधिक समुद्र के तल पर चट्टानी बेड के होते हैं के साथ कवर जानवर हैं। शरीर की सबसे बड़ी साही प्रजातियों में (एक परीक्षण कहा जाता है) व्यास में अधिक से अधिक 18 सेमी हो सकता है; गुलाबी समुद्र अर्चिन में परीक्षण के आकार (स्ट्रोंगिलोसेंट्रोटस fragilis) इस अध्ययन में जांच 10 सेमी व्यास को विकसित कर सकते हैं। अरस्तू के लालटेन पांच मुख्यतः कैल्शियम कार्बोनेट कि लेकिन दांत (चित्रा 1 ए) के बाहर का पीस सुझावों के सभी लगा देना mineralized ऊतक से बना है और एक गुंबद की तरह गठन में व्यवस्था पिरामिड संरचनाओं द्वारा समर्थित दांत से बना है।

जबड़े की मांसपेशियों संरचना कुशल चबाने में सक्षम है और यहां तक ​​कि हार्ड सागर चट्टानों और कोरल के खिलाफ scraping है। जब जबड़े खुले, दांत बाहर की ओर निकले और जब जबड़े बंद, दांत एक भी निर्बाध गति में अंदर की ओर वापस लेना। primitiv के बीच तुलनाई (ऊपर) और आधुनिक (नीचे) समुद्री साही दांत पार वर्गों (चित्रा 1 बी) इंगित करता है कि एक keeled दांत जब हार्ड substrates के खिलाफ पीस दाँत मजबूत करने के लिए विकसित किया गया। प्रत्येक व्यक्ति दांत longitudinally जुड़ी उलटना (चित्रा 1 सी, डी) के कारण एक से थोड़ा उत्तल वक्रता और अनुप्रस्थ विमान (विकास की दिशा के लिए सामान्य) में एक टी के आकार आकृति विज्ञान है।

Bioinspiration जैसे समुद्र अर्चिन में अरस्तू के लालटेन की कुशल चबाने गति के रूप में दिलचस्प प्राकृतिक घटना है, के अवलोकन के साथ शुरू होता है। इस प्राकृतिक संरचना शुरू में अरस्तू मोहित क्योंकि यह उसे एक सींग लालटेन की याद दिला दी सींग के शीशे के साथ बाहर छोड़ दिया। अधिक से अधिक दो सदियों के बाद, Scarpa अरस्तू के लालटेन की जटिलता है कि वह और बाद में Trogu मजाक उड़ाया केवल कागज और रबर बैंड (2A चित्रा) 15,16 का उपयोग कर प्राकृतिक चबाने गति से मोहित हो गया था। इसी तरह, Jelinek ग द्वारा bioinspired थाअरस्तू के लालटेन की गति hewing और एक बेहतर बायोप्सी हारवेस्टर कि सुरक्षित रूप से कैंसर कोशिकाओं (चित्रा 2 बी, सी) 12,13 प्रसार के बिना tumorous ऊतक को अलग कर सकता है विकसित की है। इस मामले में, bioinspired डिजाइन एक जैव चिकित्सा उपकरण है कि एक वांछित आवेदन के लिए एक विशिष्ट की जरूरत है फिट बनाने के लिए उपयोग किया गया था।

डिजाइन यहाँ वर्णित प्रोटोकॉल एक तलछट पारखी समुद्र अर्चिन द्वारा bioinspired करने के लिए लागू होता है। जैविक सामग्री विज्ञान के माध्यम से, अरस्तू के लालटेन की प्राकृतिक संरचना होती है। Bioinspired डिजाइन संभावित अनुप्रयोगों जहां प्राकृतिक तंत्र आधुनिक सामग्री और निर्माण तकनीक के प्रयोग के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है दिखाता है। अंतिम डिजाइन bioexploration के चश्मे से फिर से जांच की है समझने के लिए कैसे प्राकृतिक दांत संरचना विकसित (चित्रा 3)। पिछले bioexploration कदम, पोर्टर 17,18 द्वारा प्रस्तावित, इंजीनियरिंग विश्लेषण के तरीकों का उपयोग करता है ई के लिएएक्सप्लोर और जैविक घटना समझाओ। सभी bioinspiration प्रक्रिया का महत्वपूर्ण कदम प्रौद्योगिकी, स्वभाव से पूर्व मंजूरी दे दी है, जो आधुनिक समस्याओं को सुलझाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता दोहन के लिए एक उदाहरण के रूप में प्रस्तुत कर रहे हैं। हमारी प्रोटोकॉल, Arzt 7 से विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए प्रस्तुत पिछले bioinspiration प्रक्रियाओं से प्रेरित, जीव, इंजीनियरों और किसी और जो प्रकृति से प्रेरित है के लिए लक्षित है।

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Protocol

1. जैविक सामग्री विज्ञान

  1. व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (यानी, दस्ताने, सुरक्षा चश्मा और प्रयोगशाला कोट) पहनें और विदारक उपकरणों का उपयोग करने के लिए लागू सभी सुरक्षा प्रक्रियाओं का पालन करें।
  2. संदंश बंद कुल्ला और विच्छेदन के लिए उपयोग करने के लिए आसुत जल के साथ छुरी।
  3. 1 घंटे के लिए आरटी पर एक जमे हुए गुलाबी समुद्री साही गला लें। पर्याप्त स्थान के साथ एक गिलास पकवान में एक thawed नमूना जगह साही और काटने के उपकरण पैंतरेबाज़ी करने में सक्षम हो। साही उल्टा बारी इतनी है कि दांत सुझाव सामना करते हैं।
    1. छुरी के साथ अरस्तू के लालटेन की परिधि के आसपास संयोजी ऊतक दूर कट और ध्यान से लालटेन बाहर उठा। लालटेन आसुत पानी चल रहा है के साथ बंद कुल्ला। एक उचित अपशिष्ट निपटान कंटेनर में अप्रयुक्त साही भागों त्यागें।
    2. फिर से इसलिए दांत के सुझावों के नीचे का सामना अरस्तू के लालटेन मुड़ें। प्रत्येक दाँत (विपरीत टिप करने के लिए) के plumula अंत का पता लगाने सामना करना पड़ रहा है और देखभाल करने के लिए संदंश का उपयोगपूरी तरह से लालटेन से अलग-अलग दांत बाहर स्लाइड।
  4. दांत बर्तन को epoxy तैयार करें। राल के 5 ग्राम वजन और hardener की 1.15 ग्राम जोड़ने के लिए एक उथले डिस्पोजेबल प्लास्टिक ट्रे में (जैसे, 100 भागों 23 भागों वजन से hardener के लिए राल)। बुलबुले बनाने के बिना एक साथ सामग्री मिश्रण धीरे धीरे।
    नोट: वातावरण के लिए अपर्याप्त जोखिम के साथ एक कंटेनर में बचे हुए मिश्रित epoxy मत छोड़ो। इलाज की प्रक्रिया एक्ज़ोथिर्मिक है और आसपास के flammables प्रज्वलित कर सकते हैं। ज्वलनशील वस्तुओं से दूर एक अच्छी तरह हवादार धूआं हुड में किसी भी बचे हुए मिश्रित epoxy रखें।
    1. 2.5 घूंट प्लास्टिक ट्यूब (22 मिमी भीतरी व्यास 39 मिमी लंबाई) चिकना पेट्रोलियम जेली एक उंगली के साथ लागू उपयोग कर और एक ऊतक के साथ किसी भी अतिरिक्त पोंछ। मिश्रित epoxy के साथ ट्यूब आधे रास्ते में भरें।
    2. एक दांत लेने के लिए और ध्यान से घुमावदार अवतल पक्ष का सामना करना पड़ के साथ epoxy में यह डूब संदंश का प्रयोग करें। 24 घंटे के लिए आरटी पर epoxy इलाज करते हैं।
      नोट: स्पर्श करने के लिए बहती से दांत टिप रोकेंइस के बाद से epoxy इलाज के रूप में प्लास्टिक ट्यूब दीवार टिप अधिक कठिन चमकाने कर देगा।
  5. एक शिकंजा में ठीक epoxy के साथ प्लास्टिक ट्यूब रखें। शिकंजा कस धीरे-धीरे जब तक एक विदर प्लास्टिक ट्यूब में किया जाता है। epoxy सतह से अवशिष्ट प्लास्टिक दूर छील।
    1. का प्रयोग करें एक सेक्शनिंग एक छोटे खंड (1 सेमी 3) करने के लिए नीचे दांत के आसपास epoxy कटौती करने के लिए देखा था।
  6. चमकाने के लिए एक साफ क्षेत्र को तैयार है और एक हार्ड प्लास्टिक बोर्ड के साथ एक फ्लैट का काम स्टेशन की स्थापना की। आसुत जल के साथ एक धार बोतल भरें।
    1. सबसे कम धैर्य sandpaper उपलब्ध (उदाहरण के लिए, 120) के साथ शुरू और sandpaper पर धोने की बोतल से पानी की एक छोटी राशि निचोड़। प्रकाश दबाव का प्रयोग, 5 मिनट के लिए एक आगे और पीछे दिशा (जैसे, बाएं-दाएं) में नमूना रगड़ें।
    2. एक सिंक पर नमूना की सतह से धो लें और एक कण-मुक्त ऊतक के साथ बंद पोंछे। 15 सेकंड के लिए संपीड़ित हवा के साथ किसी भी बचे हुए sandpaper के धैर्य निकालें।
    3. प्रोटोकॉल कदम 1.6.1 और 1.6.2 दोहराने के लिए उत्तरोत्तर अधिक धैर्य sandpaper (जैसे, 600 और 2,400) का प्रयोग करें। प्रकाश दबाव एक पीठ में नमूना और आगे दिशा पिछले पोलिश कदम को सीधा उपयोग करना, रगड़ना (जैसे, ऊपर-नीचे, बाएं-दाएं)।
      नोट: सीधा खरोंच के निशान प्रत्येक धैर्य स्तर के साथ एक दूसरे को काटना देखने के लिए 20X बढ़ाई पर एक प्रकाश माइक्रोस्कोप का उपयोग (जैसे, 120, 600, 2400)। अगले उच्च धैर्य sandpaper के लिए कदम जब पिछले धैर्य स्तर से खरोंच के निशान गायब हो जाते हैं।
    4. 1 आसुत जल समाधान: एक 1 में 3-माइक्रोन हीरा पॉलिश निलंबन के साथ एक धार बोतल तैयार करें। हीरा निलंबन प्रोटोकॉल कदम 1.6.1 और 1.6.2 दोहराने के लिए एक पोलिश कपड़े का उपयोग करें।
    5. 1 आसुत जल समाधान: एक 1 में 0.5 माइक्रोन एल्यूमिना चमकाने निलंबन के साथ एक धार बोतल तैयार करें। प्रोटोकॉल कदम 1.6.1 और 1.6.2 दोहराने के लिए एक microcloth चमकाने सतह का प्रयोग करें।
      नोट: ललित खरोंच के निशान प्रोटोकॉल 1.6.4 कदम और 1.6.5 visib नहीं होगा से20X बढ़ाई le। इन प्रोटोकॉल कदम, एक आगे और पीछे गति में 5 मिनट के लिए पॉलिश के लिए सभी पिछले खरोंच को दूर करने के लिए।
    6. संपीड़ित हवा के लिए सावधानी से सूखे के साथ आसुत जल और उपयोग कण-मुक्त ऊतक के साथ पॉलिश सतह को साफ करें। कण-मुक्त ऊतक के साथ लपेटें दर्पण पॉलिश खत्म बनाए रखने के लिए।
      नोट: शुष्क सभी चमकाने सतहों बड़े कण-मुक्त ऊतकों पर नीचे चेहरा। एक प्लास्टिक की आस्तीन में स्टोर चमकाने समय के बीच सतह पर बसने से धूल के कणों से बचने के लिए।
  7. समुद्री साही दांत microstructure का उपयोग कर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) विशेषताएँ। ~ 20 एनएम एक कोटिंग मोटाई के लिए पॉलिश दांत की सतह पर 10 सेकंड के लिए 85 मा के एक बयान वर्तमान के साथ इरीडियम धूम करने के लिए एक धूम coater का प्रयोग करें।
    1. एक SEM का उपयोग 4,000X बढ़ाई - 250X पर माइक्रोग्राफ़ छवियों प्राप्त करते हैं।
      नोट: उपयोग स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन (एसई) मोड में 5 केवी और वापस बिखरे इलेक्ट्रॉन (बीएसई) मोड में 15 केवी। केल्साइट मिथ्या की पहचान करने के लिए बीएसई मोड का उपयोग करेंनेताओं मिलीग्राम समृद्ध polycrystalline मैट्रिक्स के साथ interspersed।
  8. सूक्ष्म गणना टोमोग्राफी (सीटी μ) एक पूरे गुलाबी समुद्री साही के स्कैन और एक हौसले से विच्छेदित अरस्तू के लालटेन प्रदर्शन करना। एक सिक्त ऊतक के साथ बंद कक्ष कंटेनर के अंदर प्रत्येक thawed नमूना स्थिति एक humidified वातावरण जबकि स्कैनिंग प्रदान करने के लिए।
    1. 36.00 मीटर और 9.06 मीटर का एक isotropic voxel आकार के साथ पूरे साही और μ सीटी द्वारा अरस्तू के लालटेन के लिए स्कैन, क्रमशः। 100 केवीपी की विद्युत क्षमता और 100 मा और 141 मा के वर्तमान के साथ 70 केवीपी लागू करें, पूरी साही और अरस्तू के लालटेन, क्रमशः के लिए, दोनों के लिए एक 1.0 मिमी एल्यूमीनियम फिल्टर का उपयोग।
    2. किरण सख्त कलाकृतियों कि μ सीटी एक्स-रे स्रोत उत्सर्जन निर्माता प्रोटोकॉल का उपयोग कर एकाधिक ऊर्जा का एक्स रे से परिणाम के लिए खाते में करने के लिए छवि पुनर्निर्माण के दौरान एक किरण सख्त सुधार एल्गोरिथ्म लागू करें।
  9. भारतीय सैन्य अकादमी को निखारने के लिए इमेजिंग सॉफ्टवेयर का प्रयोग करेंजीई विभाजन और अरस्तू के लालटेन संरचना के लिए एक त्रिकोण जाल मॉडल के अधिग्रहण।
    1. लोड और पूर्वावलोकन μ-सीटी स्कैन से अरस्तू के लालटेन छवि डेटा। सूक्ष्म सीटी स्कैन से मूल्यों के voxel आकार (9.06 माइक्रोन) से मेल।
    2. 3 डी अंतरिक्ष में अरस्तू के लालटेन कल्पना करने के लिए एक मात्रा प्रतिपादन समारोह का प्रयोग करें। Bounding बॉक्स मॉड्यूल के साथ 2 डी orthogonal टुकड़ा समायोजित करें और मात्रा प्रतिपादन मॉड्यूल के साथ सीमा मूल्य / रंग समायोजित करें।
    3. ब्याज के क्षेत्र (जैसे, समुद्री साही दांत) विभाजन संपादक का उपयोग के लिए मुखौटा खंडों बनाओ। XY, YZ, और XZ विमानों और 3 डी isometric दृश्य चुनें। अरस्तू के लालटेन में सरल संरचना (दांत बनाम पिरामिड) के बीच भेद करने के लिए जादू की छड़ी (काला तीर) का प्रयोग करें।
    4. निकाले मुखौटा क्षेत्रों से मॉडल सतह पुनर्निर्माण किया। भूतल पीढ़ी मॉड्यूल का चयन करें और लागू होते हैं। वॉल्यूम सेटिंग प्रतिपादन दिखाई ऊपर की सतह से गायब है की अचयनित करें। जोड़ेंभूतल देखें मॉड्यूल सतह परिणाम प्रदर्शित करने के लिए।
    5. <18,000 करने के लिए चेहरे की संख्या को कम करने से मॉडल सतह को सरल बनाएँ।
    6. जरूरत के रूप में मॉडल सतह पर अलग-अलग त्रिकोण जाल संपादित करें। कंप्यूटर की मदद से डिजाइन (सीएडी) मॉडलिंग सॉफ्टवेयर के साथ प्रयोग करने के लिए निर्यात के लिए एक स्टीरियोलिथोग्राफी (एसटीएल) फ़ाइल के रूप में मॉडल को बचाओ।

2. Bioinspired डिजाइन

  1. एक संदर्भ के रूप में सूक्ष्म सीटी स्कैन से अरस्तू के लालटेन का उपयोग सीएडी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर के साथ एक bioinspired डिजाइन बनाने के लिए।
    नोट: bioinspired डिजाइन 6 सेमी व्यास और बंद लालटेन के लिए 8 सेमी ऊंचाई के साथ पांच घुमावदार दांत है। यह प्राकृतिक अरस्तू के लालटेन के आकार से ~ 5x को बढ़ाया है।
  2. एक फ्लैश ड्राइव करने के लिए एसटीएल फ़ाइल भागों को बचाने के लिए और एक दूसरे से जुड़ने बयान मॉडलिंग (FDM) 3 डी प्रिंटर के लिए फाइल को अपलोड करें।
    1. 3 डी पी के उचित स्लॉट में लोड acrylonitrile butadiene styrene (एबीएस) प्लास्टिक और समर्थन प्लास्टिक सामग्री कारतूसrinter।
    2. जेड मंच पर मॉडलिंग आधार डालें और धातु ट्रे पर उतारने के साथ टैब संरेखित।
    3. एसटीएल फ़ाइल भागों में से प्रत्येक खोलें और एक ही समय में सब लालटेन भागों मुद्रित करने के लिए डिस्प्ले स्क्रीन चरणों का पालन करें।
      नोट: लालटेन भागों इमारत लिफाफा (25 x 25 x 30 सेमी 3) 3 डी प्रिंटर के लिए भीतर फिट होगा। सभी पांच दांत मॉडलिंग आधार पर व्यवस्थित और दांत टिप का सामना करना पड़ के साथ एक साथ मुद्रित कर रहे हैं। बिल्ड दर प्रति घंटे 16 सेमी 3 और कुल समय का निर्माण लगभग 8 घंटा है।
    4. टैब से मॉडलिंग आधार रिलीज जब सभी फाइल भागों मुद्रित कर रहे हैं और ट्रे गाइड के साथ 3 डी प्रिंटर से बाहर आधार स्लाइड।
    5. किसी भी अतिरिक्त प्लास्टिक भागों से जुड़ा हुआ नीचे पहनने के लिए आधार है और एक धातु फ़ाइल बंद सभी भागों निहारना करने के लिए एक धातु रंग का प्रयोग करें।
    6. मुद्रित भागों समर्थन प्लास्टिक सामग्री घुल जब तक एक गर्म आधार स्नान में रखें।
  3. एक ली के साथ एक संयुक्त हाथ करने के लिए प्रत्येक दांत जकड़नाएन.के. रॉड और दोनों तरफ दो ई बनाए रखने के छल्ले।
    नोट: bioinspired अरस्तू के लालटेन की विधानसभा के लिए 6 चित्रा को देखें।

3. Bioexploration

  1. एक परिमित तत्व मॉडलिंग (एफईएम) तनाव विश्लेषण परीक्षण करने के लिए bioinspired दांत के लिए सीएडी फ़ाइल का उपयोग करें।
    1. फ़ाइल (xx.sldprt) खोलने के आगे इंजीनियरिंग विश्लेषण करने के लिए। "कार्यालय उत्पाद" टैब ऊपर, "SolidWorks अनुकरण" बटन का चयन करें।
    2. "अनुकरण" टैब ऊपर, "अध्ययन सलाहकार" बटन और फिर ड्रॉप-डाउन विकल्प "नई स्टडी" का चयन करें।
    3. सिमुलेशन परीक्षण के प्रकार का चयन करें "स्थिर" का चयन करके चलाया जा सके।
    4. स्थैतिक परीक्षण सूची पर, "फिक्स्चर 'पर राइट क्लिक करें और" निश्चित ज्यामिति "का चयन करें।
    5. बढ़ते छेद जहां पिन जाना होगा करने के लिए जुड़नार जोड़ने की भीतरी चेहरों पर क्लिक करें।
    6. स्थैतिक परीक्षण सूची पर, "बाहरी भार" और selec पर राइट क्लिक करेंटी "फोर्स"।
    7. दांत पीस नोक पर क्लिक करें किनारों को 45 एन बल लागू करने के चेहरे।
    8. स्थैतिक परीक्षण सूची पर, "बाहरी भार" पर राइट क्लिक करें और "ग्रेविटी" का चयन करें।
    9. गुरुत्वाकर्षण विमान को सामान्य लागू बल के लिए "ऊपर विमान" संकेत मिलता है।
    10. स्थैतिक परीक्षण सूची पर, "जाल" पर राइट क्लिक करें और चुनें "जाल बनाएँ"।
    11. "जाल घनत्व" "ठीक है" के लिए सही करने के लिए सभी तरह के पैमाने पर पट्टी ले जाएँ।
    12. स्थैतिक परीक्षण सूची पर, "स्थिर" पर राइट क्लिक करें और "रन" का चयन परीक्षण चलाने के लिए।
      नोट: उच्चतम तनाव और "उपज शक्ति" के क्षेत्रों के लिए रंग पैमाने पर पट्टी।
  2. साथ और उलटना बिना bioinspired दांत के लिए तनाव विश्लेषण परीक्षण के परिणाम की तुलना करें।

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Representative Results

अरस्तू के लालटेन नमूना डिवाइस के Bioinspired डिजाइन का इस्तेमाल किया लक्षण वर्णन तरीकों की गुणवत्ता पर काफी निर्भर करता है। Μ सीटी की तरह गैर इनवेसिव तकनीक पूरे लालटेन और व्यक्तिगत दांत का विश्लेषण bioinspired डिजाइन (चित्रा 4) के लिए आवेदन विशिष्ट संवर्द्धन को लागू करने के लिए सहायक होते हैं। इस बीच, दांत microstructure माध्यमिक इलेक्ट्रॉन और एक व्यक्ति के दांत (चित्रा 5) की पॉलिश पार अनुभाग के वापस बिखरे इलेक्ट्रॉन micrographs के माध्यम से पता लगाया जा सकता है। गहरे भूरे रंग के क्षेत्र दांत पीस टिप के कठिन पत्थर हिस्सा है और 40 मोल% मैग्नीशियम परमाणुओं कि कैल्शियम परमाणुओं को बदलने के लिए ऊपर के होते हैं।

बीएसई SEM (चित्रा 5) के साथ दांत microstructure के विश्लेषण से दांत पीस टिप में एमजी समृद्ध पत्थर भाग की संरचनात्मक महत्व की पुष्टि की। प्लेट और फाइबर प्राइमाRY तत्वों (केल्साइट Monocrystals, चित्रा 5C में हल्का भूरा) माध्यमिक तत्वों (केल्साइट और मैग्नीशियम कार्बोनेट polycrystals, चित्रा 5C में गहरे भूरे रंग), कि दांत पीस टिप के सबसे कठिन पत्थर क्षेत्र बनाने का एक मैट्रिक्स से एक साथ जुड़े हुए हैं।

Bioinspired लालटेन समुद्र तट पर सीएडी सॉफ्टवेयर, 3 डी मुद्रित और इकट्ठे (चित्रा 6) रेत के संग्रह के लिए (चित्रा 7) के साथ डिजाइन किया गया था। तनाव विश्लेषण परीक्षण दो दांत डिजाइन, उलटना (चित्रा 8A) के बिना एक और उलटना (चित्रा 8B) के साथ दूसरे के वॉन Mises तनाव गणना करने के लिए इस्तेमाल किया गया। एक ठोस tetrahedrons से बना जाल दांत की ज्यामिति पर कार्यरत था। चुने हुए (45 एन) के बल मूल्य सतह पर सीधा लालटेन दांत के साथ हार्ड रेत में गहरे 1 सेमी घुसना करने के लिए समुद्र तट पर परीक्षण से माप मिलान नहीं हुआ।

(आंकड़े 7A, बी)। बड़े पैमाने पर बढ़ाने तनाव है कि उलटना प्रदान करता है में कमी के साथ तुलना में छोटा है। तनाव में कमी keeled क्षेत्र के भीतर तनाव की एकाग्रता के लिए यह bioinspired डिजाइन की प्रभावशीलता को दर्शाता है।

आकृति 1
चित्रा 1. सागर साही अरस्तू के लालटेन और दांत आकृति विज्ञान। (ए) एक समुद्री साही (बाएं) और अरस्तू के लालटेन (दाएं) 13 के उदर देखने की बंद हुआ। (बी) के पार वर्गोंएक आदिम cidaroid साही (ऊपर) और एक आधुनिक camarodont साही (नीचे) 14 वर्ष की keeled दांत की अंडाकार दाँत। (सी) एक अलग दांत टिप (नीचे) के साथ अपनी ओर से देखा और संकेत दिया उलटना (बाईं ओर) 20। संकेत उलटना (नीचे) 20 के साथ एक पॉलिश दांत पार अनुभाग की (डी) SEM छवि। के लिए संकेत दिया संदर्भ (ए), (ख), (ग) और (डी) से अनुकूलित छवियाँ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. Bioinspired अरस्तू के लालटेन के आधार पर डिजाइन। (ए) अरस्तू के लालटेन की एक बायोनिक मॉडल है, जो 3 डी मुद्रित प्लास्टिक पी है के लिए एक बैठक की सममितीय देखेंसंलग्न मांसलता 16 के लिए रबर बैंड (नहीं दिखाया गया है) से जुड़े कला। (बी, सी) अरस्तू के लालटेन एक बायोप्सी हारवेस्टर 13 के लिए एक जैविक प्रेरणा के रूप में कार्य किया। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. bioinspiration प्रक्रिया के चार कदम। Bioinspiration प्रक्रिया (बाएं से दक्षिणावर्त) गुलाबी समुद्री साही और अरस्तू के लालटेन के अवलोकन के माध्यम से प्रकृति से सीखने के साथ शुरू होता है। (ऊपर) समुद्री साही का विश्लेषण और μ-सीटी स्कैन (बाएं) से अरस्तू के लालटेन संरचना। (सही) एकत्र परिणाम एक bioinspired डिजाइन प्रोटोटाइप उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। (नीचे) इंजीनियरिंग विश्लेषण के तरीकों जैविक Phen पता लगाने के लिए लागू किया गयाomena और bioinspired डिजाइन 17,18। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. माइक्रो गणना अरस्तू के लालटेन संरचना का विश्लेषण टोमोग्राफी। पिरामिड संरचनाओं कि दांतों का समर्थन करने में मदद की (ए) की ओर देखें। (बी) सागर साही दांत एक दूसरे के शीर्ष पर ढेर और पांच गुना समरूपता दिखा रहे हैं। (सी) बाहर का टिप भागों सभी पांच दांत के लिए longitudinally जुड़ी उलटना संरचनाओं को दिखाने के लिए निकाल रहे हैं। (डी) एक व्यक्ति दांत और उलटना (नीला) इसी पिरामिड (पीला) के साथ दिखाया जाता है और यह भी (सी) में संकेत दिया। क्लिक करेंयहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

चित्रा 5
चित्रा 5. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) समुद्री साही दांत microstructure का विश्लेषण। (ए) बेहोश पत्थर पट्टी क्षेत्र और उलटना (नीचे) के साथ एक पॉलिश दांत पार अनुभाग के SEM माइक्रोग्राफ संकेत दिया। (बी, सी) से (ए) दिखाने घुमावदार प्लेट और दौर फाइबर केल्साइट प्राथमिक एक सघन मिलीग्राम समृद्ध polycrystalline मैट्रिक्स (गहरे भूरे) के ऊपर स्थित तत्वों बैंगनी और नारंगी बक्से के backscattered इलेक्ट्रॉन SEM micrographs। यहाँ एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें यह आंकड़ा की।

चित्रा 6
आकृति6. इकट्ठे 3 डी अरस्तू के लालटेन भागों bioinspired छपी। (ए) ई-बनाए रखने के छल्ले और कड़ी छड़ तीन संयुक्त पदों पर 3 डी मुद्रित दांत भागों दृढ़ करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। (बी) के एक दांत हटा साथ bioinspired अरस्तू के लालटेन इकट्ठे हुए। (सी) और अलग-अलग दांत के लिए उलटना के देखें बदलते संयुक्त पदों जब लालटेन आंशिक रूप से (बाएं) और पूरी तरह से खुला (दाएं) है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
7 चित्रा समुद्र तट पर Bioinspired अरस्तू के लालटेन डिजाइन और उपयोग। (ए, बी) कम्प्यूटर एडेड bioinspired अरस्तू के लालटेन की डिजाइन छवियों जबकि बंद और पूरी तरह से खुला, क्रमशः। (सी) 3 डी bioinspired मुद्रित अरस्तू के लालटेन समुद्र तट पर रेत के विभिन्न प्रकार एकत्र। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
8 चित्रा Bioinspired समुद्री साही दांत तनाव विश्लेषण परीक्षण। (ए, बी) परिमित तत्व विश्लेषण गैर keeled (ए) से पता चलता बनाम keeled (बी) दांत जब बल दांत किनारों पर लागू किया जाता है। Keeled दांत डिजाइन उलटना के अलावा के कारण अनुभवी ~ 16% से भी कम तनाव। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

सागर अर्चिन (आदि खिला, बोरिंग, पिवट) कार्यों की एक किस्म के लिए अरस्तू के लालटेन (चित्रा 1 ए) का उपयोग करें। जीवाश्म रिकॉर्ड इंगित करता है कि लालटेन आधुनिक समुद्र अर्चिन 14 के camarodont टाइप करने के लिए सबसे आदिम cidaroid प्रकार से आकार और समारोह में विकसित किया गया है। Cidaroid लालटेन longitudinally दांत (चित्रा 1 बी, ऊपर) और उसके पिरामिड संरचना करने के लिए गैर-अलग पेशी लगाव अंडाकार है। यह उनके ऊपर और नीचे आंदोलन को सीमित करता है और उन्हें अधिक से अधिक स्क्रैप पार्श्व आंदोलन है, जो और अधिक आधुनिक camarodont लालटेन (चित्रा 1 बी, नीचे) में मनाया जाता है के द्वारा उत्पन्न बिजली की लूटता है। जीव अनुमान लगाया है कि keeled दांत (चित्रा 1 सी, डी) camarodonts में विकसित मुश्किल substrates 18,20,23 scraping द्वारा उत्पन्न मजबूत तन्य बलों के तहत दांत सुदृढ़ करने के लिए।

इस काम में bioinspired डिजाइन प्रोटोकॉल संयुक्तजीव विज्ञान, जैविक पदार्थ विज्ञान, डिजाइन और bioinspired bioexploration (चित्रा 3) नमूना तलछट के लिए एक विशेष समारोह के साथ एक bioinspired डिवाइस विकसित करने के लिए। अरस्तू के लालटेन (चित्रा 4) के μ-सीटी स्कैन संदर्भ के बाद से ही अंतिम नमूना डिजाइन प्राकृतिक संरचना में जटिल पेशी लगाव की नकल नहीं था के लिए एक एसटीएल फ़ाइल के रूप में आयात किया गया था। इसके बजाय bioinspired डिजाइन भागों है कि अरस्तू के लालटेन पारखी में विधानसभा के लिए एक 3 डी प्रिंटर से आसानी से निर्मित किया जा सकता है के साथ एक सरल उद्घाटन और समापन तंत्र कार्यरत हैं। कुल मिलाकर, हम bioinspired डिजाइन के लिए एक परिपत्र दृष्टिकोण के बाद से bioexploration कदम नए निष्कर्ष के लिए अनुमति प्राकृतिक जीव विज्ञान से तैयार किया जाता था। bioinspired डिजाइन के संभावित संशोधनों तलछट नमूने के अलावा विभिन्न अनुप्रयोगों को संबोधित कर सकते हैं। इस प्रोटोकॉल की एक सीमा है कि यह एक उपकरण के आधार के लिए bioinspired प्रक्रिया से एक विशेष आवेदन पर ध्यान केंद्रित कर रहा हैअरस्तू के लालटेन पर। हालांकि, प्रोटोकॉल यहाँ उल्लिखित विश्लेषण, विकास और अन्य bioinspired जैविक नमूने पर आधारित डिजाइन की परम निर्माण के लिए लागू किया जा सकता है।

इस के लिए प्राथमिक आवेदन bioinspired अरस्तू के लालटेन नमूना (चित्रा 6) ढीला और जमा रेत (चित्रा 7) इकट्ठा करने के लिए था इकट्ठे हुए। आगे देख रहे हैं, नासा कई वर्षों से 29 से अधिक मिशनों के एक उत्तराधिकार के बाद एक नमूना वापसी रोवर का उपयोग कर पृथ्वी पर मंगल ग्रह का निवासी नमूने वापस लाने के लिए एक योजना है। एक नमूना वापसी रोवर एक bioinspired अरस्तू के लालटेन पारखी के साथ outfitted भविष्य मिशन के लिए फायदेमंद हो सकता है। एक छोटे नमूना है कि एक प्राकृतिक अरस्तू के लालटेन के आकार जैसा दिखता भी अन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकता है। प्राकृतिक साही दांतों में कठोरता की anisotropy, जबकि अपने आप में दिलचस्प है, इस bioinspired डिजाइन में शामिल नहीं किया गया था।

कश्मीर के Bioexplorationबनाम गैर keeled दांत eeled प्राकृतिक समुद्र अर्चिन में उलटना की महत्वपूर्ण संरचनात्मक उद्देश्य (8 चित्रा) की पुष्टि की। bioexploration परिणाम डेटा की व्याख्या क्यों आधुनिक समुद्र अर्चिन विकसित उलटना संरचनाओं में मदद करता है प्रदान करता है। हम स्वीकार करते हैं कि पोर्टर 17,18 पहली बार इस काम है, जो समुद्री साही दांत में उलटना संरचना के यांत्रिक लाभ यों तो इंजीनियरिंग विश्लेषण के तरीकों का उपयोग करने के लिए आवश्यक था में लागू bioexploration कदम का प्रस्ताव किया गया था। भविष्य bioinspired डिजाइन प्राकृतिक अवलोकन जोड़ता है, जैविक पदार्थ विज्ञान, डिजाइन और bioinspired bioexploration प्राकृतिक डिजाइन सिद्धांतों के साथ एक गहरी जड़ें अपनेपन को शामिल करने के लिए फायदेमंद हो सकता है।

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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

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References

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