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

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

biyoloji alanları, biyolojik malzeme bilimi, biyomalzemeler, biyomühendislik ve biyokimya inanılmaz doğal dünya daha derin bir anlayış sağlamak amacıyla galası bilimsel teknikler ve zihinleri kullanır. Bu araştırma en şaşırtıcı biyolojik yapıları ve organizmaların birçoğu anlattı; insan kemiği 1,2 içsel dayanıklılığı gelen tukan 3 büyük gagaya. Bununla birlikte, bu bilgi daha toplum için bir fayda sağlayan bir şekilde kullanılması zordur. Sonuç olarak, bioinspiration teğet alan ortak sorunları çözmek için modern malzemeler doğadan öğrenilen dersler kullanır. Örnekler lotus esinlenerek süperhidrofobik yüzeyleri de, kertenkeleleri ayakları esinlenerek 4-6, yapışkan yüzeyler bırakır ve tadıdır 9-11 ve deniz kestanesi ağızlık esinlenerek biyopsi hasat sedef esinlenerek 7,8, sert seramik böcekler dahil bilmekn Aristoteles'in fener 12,13 olarak.

Deniz kestaneleri olan yaşam en sık okyanus katta kayalık yataktan oluşmaktadır dikenler kaplı omurgasız hayvanlardır. Çapı en fazla 18 cm kadar olabilir büyük kestanesi türlerinde (bir test olarak adlandırılan) gövdesi; Bu çalışmada incelenen pembe deniz kestanesi test boyutu (Strongylocentrotus fragilis) 10 cm çapa kadar büyüyebilir. Aristoteles'in fener dişleri (Şekil 1A) distal taşlama uçları ama içine bir kubbe benzeri bir oluşum içine mineralize doku oluşur ve düzenlenmiş piramit yapılar tarafından desteklenen beş baskın kalsiyum karbonat dişleri oluşur.

çenelerin kas yapısı bile zor okyanus kayalar ve mercan karşı etkili çiğneme yeteneğine ve kazıma olduğunu. Ne zaman çeneleri açık, dişleri dışarıya doğru çıkıntı ve ne zaman çene yakın dişler tek hareketle içeriye doğru çekin. primitif arasında karşılaştırmae (yukarıda) ve modern (aşağıda) deniz kestanesi diş kesitleri (Şekil 1B) bir omurgalı diş sert yüzeylerde karşı taşlama sırasında diş güçlendirmek için evrimleştiğini gösterir. Her bir dişin bağlı uzunlamasına bağlı omurga (Şekil 1C, D) biraz dışbükey bir eğriliğe ve (büyüme yönüne dik) enine düzleminde bir T-şekilli bir yapıya sahiptir.

Bioinspiration gibi deniz kestanesi de Aristoteles'in fener etkin çiğneme hareketi gibi ilginç doğal olaylar, gözlem ile başlar. boynuz bölmeler dışında kalan ile bir boynuz fener onu hatırlattı çünkü bu doğal yapı başlangıçta Aristo'yu büyüledi. Fazla iki bin sonra, Scarpa kendisi ve daha sonra Trogu sadece kağıt ve lastik bantlar (Şekil 2A) 15,16 kullanarak doğal çiğneme hareketi taklit Aristoteles'in fener karmaşıklığı hayran oldu. Benzer şekilde, Jelinek c Biyolojik Tabanlı Akıllı edildiAristoteles'in fener hareketini işlenmeye ve güvenli bir şekilde kanserli hücreleri (Şekil 2B, C) ​​12,13 yayma olmadan tümörlü doku izole olabilir, daha iyi bir biyopsi biçerdöver geliştirdi. Bu durumda, Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarımı arzu edilen bir uygulama için özel bir ihtiyacı uygun bir biyomedikal cihaz yapmak için kullanılmıştır.

Burada açıklanan tasarım protokol deniz kestanesi tarafından Biyolojik Tabanlı Akıllı bir sediman örnekleyici için de geçerlidir. biyolojik malzeme bilimi sayesinde, Aristo'nun fener doğal yapısı karakterizedir. Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım doğal mekanizmalar modern malzeme ve üretim tekniklerinin kullanılması sayesinde gelişmiş olabilir potansiyel uygulamalarını tanımlar. Nihai tasarım doğal diş yapısı nasıl evrildiğini anlamak için bioexploration prizmasından yeniden incelenmiştir (Şekil 3). Porter 17,18 tarafından önerilen son bioexploration adımı, e mühendislik analizi yöntemleri kullanırxplore ve biyolojik olayları açıklar. bioinspiration sürecinin tüm önemli adımlar, modern sorunların çözümü için kullanılabilecek teknoloji, doğa tarafından önceden onaylanmış, sokmak için bir örnek olarak sunulmuştur. Arzt 7 tarafından özel uygulamalar için sunulan önceki bioinspiration prosedürleri motive eden protokol, biyologlar, mühendis ve doğa esinlenerek başkası için hedeflenmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Biyolojik Malzeme Bilimi

  1. Kişisel koruyucu donanım (yani, eldiven, güvenlik gözlüğü ve laboratuvar önlüğü) aşınma ve kesme araçları kullanmak için geçerli tüm güvenlik prosedürlerini izleyin.
  2. forseps durulayın ve diseksiyon için kullanılacak saf su ile neşter.
  3. 1 saat boyunca oda sıcaklığında donmuş pembe bir deniz kestanesi çözülme. Kestanesi ve kesici aletler manevra edebilmek için yeterli alana sahip bir cam tabak içinde bir çözülmüş örnek yerleştirin. diş uçları yukarı bakacak şekilde ters kestanesi çevirin.
    1. neşterle Aristoteles'in fener çevresinde bağ dokusu uzak kesin ve dikkatli bir şekilde fener kaldırın. distile su ile çalışan fener durulayın. Uygun bir atık bertaraf konteynerine kullanılmayan kestanesi parçaları atın.
    2. Dişlerin ipuçları yüz aşağı tekrar öylesine Aristoteles'in fener çevirin. yukarı bakacak şekilde (ters ucuna kadar) her bir dişin plumula ucunu bulun ve bakım için forseps kullanabilirtam fener bireysel dişleri dışarı kaydırın.
  4. pota dişleri epoksi hazırlayın. Reçine 5 g tartılır ve sertleştirici 1.15 g ekleyin sığ atılabilir plastik tepsi (örneğin, 100 parça 23 parça ağırlık olarak sertleştirici için reçine). kabarcıklar oluşturmadan yavaş yavaş bir araya içeriğini karıştırın.
    Not: atmosfere yetersiz maruziyet ile bir kapta artık karışık epoksi bırakmayın. Sertleşme süreci ekzotermik ve yakın yanıcı maddeleri tutuşturabilir. uzak yanıcı öğeleri iyi havalandırılan bir davlumbaz herhangi artık karışık epoksi tutun.
    1. Bir parmak ile uygulanan vazelin kullanarak 2.5 Dramı plastik tüp (22 mm iç çapı, 39 mm uzunluk) yağlayın ve bir doku ile herhangi bir fazlalığı silin. Karışık epoksi ile tüp yarım doldurun.
    2. Bir diş çekme ve dikkatle kavisli içbükey yüzü yukarı bakacak şekilde epoksi onu batırmak için forseps kullanabilir. 24 saat boyunca oda sıcaklığında epoksi kurumaya bırakın.
      Not: dokunmak sürüklenen gelen diş ucu önleyinBu beri epoksi sertleşirken plastik tüp duvar ucu daha zor parlatma yapacaktır.
  5. bir mengeneye tedavi epoksi plastik tüp yerleştirin. Bir fissür plastik tüp içinde yapılıncaya kadar yavaşça mengene sıkın. epoksi yüzeyinden kalan plastik uzak soyun.
    1. Bir kesit daha küçük bir blok (1 cm 3) aşağı dişin etrafında epoksi kesmek için testere kullanın.
  6. parlatmak için temiz bir zemin hazırlayın ve bir sert plastik kart ile düz bir çalışma istasyonu kurmak. damıtılmış su ile püskürtmeli bir şişe doldurun.
    1. Mevcut düşük zımpara kağıdı (örn 120) ile başlayın ve zımpara üzerine yıkama şişesinden su küçük bir miktar sıkın. Hafif bir basınç uygulayarak, 5 dakika için bir ileri ve geri yönde (örneğin, sol-sağ) numune sürün.
    2. Bir lavabonun üzerinde numunenin yüzeyi yıkayın ve bir partikül içermeyen dokusu ile siliniz. 15 saniye basınçlı hava ile herhangi bir artık zımpara kum çıkarın.
    3. Protokol 1.6.1 ve 1.6.2 numaralı adımları tekrar giderek daha yüksek kum zımpara (örneğin, 600 ve 2400) kullanın. Önceki lehçe adıma dik bir sırt örnek ve ileri yönde, hafif basınç ovmak kullanarak (örneğin, yukarı-aşağı, sağ-sol).
      Not: dik çizikler her kum seviyesi ile kesiştiği görmek için 20X büyütmede bir ışık mikroskobu kullanın (örneğin, 120, 600, 2400). önceki kum seviyesinden çizikleri yok olduğunda bir sonraki daha yüksek zımpara kağıdı taşıyın.
    4. 1 damıtılmış su çözeltisi: 1 3 mikron elmas parlatma süspansiyon ile bir bücür şişe hazırlayın. elmas süspansiyonlar protokol 1.6.1 ve 1.6.2 numaralı adımları tekrar için bir lehçe bez kullanın.
    5. 1 saf su çözeltisi bir 1: 0.5 mikron alüminyum parlatma süspansiyonu ile püskürtme şişesi hazırlayın. protokol 1.6.1 ve 1.6.2 numaralı adımları tekrar bir microcloth parlatma yüzeyini kullanın.
      Not: İnce çizik izleri protokol 1.6.4 adımları ve 1.6.5 visib olmayacak gelen20X büyütme le. Bir ileri ve geri hareket 5 dakika boyunca lehçe bu protokol adımları, tüm önceki çizikleri yok etmek için.
    6. dikkatle kuru basınçlı hava ile distile su ve kullanım partikül içermeyen dokusu ile cilalı yüzeyi temizleyin. ayna cilalı bitirmek korumak için partikül içermeyen dokusu ile sarın.
      Not: Tüm parlatma yüzeyleri büyük parçacık içermeyen dokularda yüz aşağı kurulayın. parlatma zamanları arasındaki yüzeyde yerleşme toz partiküllerini önlemek için plastik kol depolamak.
  7. Deniz kestanesi diş mikro kullanarak taramalı elektron mikroskobu (SEM) karakterize eder. 20 nm aralığında bir kaplama kalınlığı için parlatılmış diş yüzeyi üzerine 10 saniye boyunca 85 mA bir depozisyon akımı ile iridyum püskürtülmesi için püskürtme kaplayıcı kullanın.
    1. Bir SEM ile 4,000X büyütme - 250X de mikrografı görüntüleri elde edebilir.
      Not: Kullanım taramalı elektron (SE) modunda 5 kV ve geri saçılan elektron (BSE) modunda 15 kV. kalsit fib tanımlamak için BSE modunu kullanıners Mg-zenginleştirilmiş polikristal matris ile serpiştirilmiş.
  8. mikro bilgisayarlı tomografi (μ-BT) bir bütün pembe deniz kestanesi taramalarını ve taze disseke Aristoteles'in fener gerçekleştirin. Tarama sırasında nemlendirilmiş bir ortam sağlamak için nemli bir doku ile kapalı oda kabın içine her çözülmüş örnek yerleştirin.
    1. sırasıyla, 36.00 um ve 9.06 mikron izotropik voksel boyutu ile μ-BT ile tüm kestanesi ve Aristoteles'in fener tarayın. her ikisi için de 1.0 mm alüminyum filtre kullanılarak sırasıyla bütün kestanesi ve Aristoteles'in fener için, bir elektrik 100 kVp potansiyelini 100 mA ve 141 mA akım 70 kVp uygulanır.
    2. Üreticinin protokolü kullanarak birden enerjilerin x-ışınları yayan μ-BT x-ışını kaynağı kaynaklanan ışın sertleştirme eserler için hesap görüntü rekonstrüksiyonu sırasında ışın sertleştirme düzeltme algoritması uygulayın.
  9. ima rafine görüntüleme yazılımı kullanınge segmentasyonu ve Aristoteles'in fener yapısı için bir üçgen örgü modeli kazanır.
    1. Yük ve önizleme μ-BT tarama Aristoteles'in fener görüntü verisi. Mikro-BT tarama değerlere voksel boyutu (9.06 mikron) maç.
    2. 3D alanında Aristoteles'in fener görselleştirmek için bir volume rendering işlevini kullanın. Sınırlayıcı Kutu modülü ile 2D ortogonal dilim ayarlayın ve Volume Rendering modülü ile eşik değeri / rengi ayarlayın.
    3. Segmentasyon editörü kullanarak ilgi bölge (örneğin, deniz kestanesi diş) için maske segmentleri yapın. XY, YZ ve XZ uçak ve 3D izometrik görünümü seçin. Aristoteles'in fener basit yapılar (piramit vs diş) ayırt etmek sihirli değnek (siyah ok) kullanın.
    4. çıkarılan maske kesimleri model yüzeyini yeniden yapılandırma. Yüzey Nesil modülünü seçin ve uygulayın. Görünür üst yüzeyi yok olması için Ayarlar Rendering Sesi kaldırın. EkleYüzey Görünümü modülü yüzey sonucunu görüntülemek için.
    5. <18.000 yüzlerin sayısını azaltarak modeli yüzeyini kolaylaştırın.
    6. gerektiği gibi model yüzeyinde bireysel üçgen örgü düzenleyin. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelleme yazılımı ile kullanmak için ihracat için bir stereolitografi (STL) dosyası olarak modelini kaydedin.

2. Biyolojik Tabanlı Akıllı Tasarım

  1. CAD modelleme yazılımı ile bir Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarımı yapmak için bir referans olarak mikro-BT tarama Aristoteles'in fener kullanın.
    Not: Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım yüksekliği ile 6 cm ve çapı kapalı fener için 8 cm beş kavisli dişleri var. Doğal Aristoteles'in fenerin boyutundan ~ 5x büyütülüyor edilir.
  2. bir flash sürücüye STL dosyası parçaları kaydedin ve bir erimiş birikim modelleme (FDM) 3D yazıcıya dosya upload.
    1. 3D p uygun yuvalara yük akrilonitril bütadien stiren (ABS) plastik ve destek plastik malzeme kartuşlarırinter.
    2. Z platformda modelleme tabanını yerleştirin ve metal tepsi üzerinde Tırnakları yuvalarla hizalayın.
    3. STL dosyası parçaların her birini açın ve aynı anda tüm fener parçaları yazdırmak için ekran adımları izleyin.
      Not: Fener parçalar bina zarf (25 x 25 x 30 cm 3) 3D yazıcı için sığması gerekir. Beş diş modelleme bazında düzenlenmiş ve diş ucu yukarı bakacak şekilde eş zamanlı olarak basılmaktadır. Inşa hızı saatte 16 cm 3 ve toplam yapı süresi yaklaşık 8 saattir.
    4. Tüm dosya parçaları yazdırıldığında sekmelerinden modelleme tabanı serbest bırakın ve tepsi kılavuzlar boyunca 3D yazıcıdan tabanını kaydırın.
    5. parçalara bağlı herhangi bir ekstra plastik yıpratmak için taban ve metal dosyası kapalı tüm parçaları gözetlemek için metal bir spatula kullanın.
    6. destek plastik malzeme eriyene kadar ısıtılmış bir taban banyoya basılmış parçalar yerleştirin.
  3. Li ile ortak bir kol, her diş sabitleyinnk çubuk ve iki tarafında iki e-istinat halkaları.
    Not: Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fenerin montajı için Şekil 6'ya bakınız.

3. Bioexploration

  1. sonlu eleman modelleme (FEM) gerilme analizi testi yapmak Biyolojik Tabanlı Akıllı diş CAD dosyasını kullanın.
    1. Daha fazla mühendislik analizi yapmak için dosyayı (xx.sldprt) açın. "Ofis Ürünleri" sekmesi üzerinde, "SolidWorks Simulation" düğmesini seçin.
    2. "Simülasyon" sekmesine şeyden önce, "Çalışma Danışmanı" butonuna ve ardından açılan seçeneği "Yeni Çalışma" seçeneğini seçin.
    3. simülasyon testi türünü seçin "Statik" seçerek çalıştırılacak.
    4. Statik Test listesinde, "Fikstür" üzerine sağ tıklayın ve "Sabit Geometri" seçeneğini seçin.
    5. pimleri gidecek montaj deliklerine fikstür eklemek için iç yüzleri tıklayın.
    6. Statik Test listesinde, "Dış Yükler" ve Selec sağ tıklayınt "Kuvvet".
    7. ucu bileme diş tıklayın kenarlarına 45 N kuvvet uygulamak için karşı karşıya.
    8. Statik Test listesinde, "Harici Yükler" üzerine sağ tıklayın ve "Gravity" seçeneğini seçin.
    9. düzlemine dik uygulanan yerçekimi kuvveti "Top Plane" belirtiniz.
    10. Statik Test listesinde, "Mesh" üzerine sağ tıklayın ve "Mesh Oluştur" seçeneğini seçin.
    11. "Mesh Yoğunluğu" "Fine" için sağa tüm yol için ölçek çubuğu hareket ettirin.
    12. Statik Test listesinde, "Statik" üzerine sağ tıklayın ve testi çalıştırmak için "Çalıştır" ı seçin.
      Not: En yüksek stres ve "Verim Gücü" alanları için renkli ölçek çubuğu.
  2. ve omurga olmadan Biyolojik Tabanlı Akıllı diş için gerilme analizi testi sonuçları karşılaştırın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Aristoteles'in fener örnekleme cihazının Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım kullanılan karakterizasyon yöntemlerinin kalitesine büyük ölçüde bağlıdır. Μ-BT gibi non-invaziv teknikler Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım (Şekil 4) için uygulamaya özel donanımlar uygulamak için bütün fener ve bireysel diş analiz etmek için faydalıdır. Bu arada, diş mikro ikincil elektron ve bireysel diş (Şekil 5) cilalı kesiti arka dağınık elektron mikroskopta yoluyla keşfedilebilir. koyu gri bölge diş bileme ucunun sert taş parçasıdır ve kalsiyum atomları yerine% 40 mol magnezyum atomu oluşur.

BSE-SEM (Şekil 5) ile diş mikro analizi diş bileme ucu Mg-zenginleştirilmiş taş parçasının yapısal önemini doğruladı. Plaka ve lif primary elementler (kalsit monokristalleri, Şekil 5C hafif gri) diş bileme ucu zor taş bölgesini oluşturan (Şekil 5C koyu gri kalsit ve magnezyum karbonat çok kristalli) ikincil unsurların bir matris ile birbirine bağlanır.

Biyolojik Tabanlı Akıllı fener plajda kum toplama CAD yazılımları, 3D baskılı ve monte (Şekil 6) (Şekil 7) ile dizayn edilmiştir. Gerilme analizi testler iki diş tasarımları, salma (Şekil 8A) olmayan bir ve omurga (Şekil 8B) diğer von Mises stres hesaplamak için kullanılmıştır. tetraedler oluşan katı bir örgü diş geometrisini kullanılmıştır. (45 K) seçilen kuvvet değerinin yüzeyine dik fener dişlerle derin sert kum içine 1 cm nüfuz plajda testlerin ölçümleri eşleşti.

(Şekil 7A, B). kütle artışı salma sağlayan stres azalma ile karşılaştırıldığında küçük. stres azalma omurgalı bölgede stres konsantrasyonunu bu Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım etkinliğini göstermektedir.

Şekil 1
Şekil 1. Deniz kestanesi Aristoteles'in fener ve diş morfolojisi. (A) deniz kestanesi (solda) ve Aristoteles'in fener (sağda) 13 ventral bakış Close-up. (B) kesitlerilkel cidaroid kestanesi (üstte) ve modern bir camarodont kestanesi (alt) 14 karinalı dişin yivli diş. (C), ucu (alt) yan görüldüğü izole edilmiş bir diş ve belirtilen salma (sol taraf) 20. Belirtilen omurgadan (alt) 20 ile parlatılmış diş kesiti (D) SEM görüntüsü. Için belirtilen referanslar (A), (B), (C) ve (D) uyarlanmıştır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2. Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fener dayalı tasarımlar. (A) 3D baskılı plastik p vardır Aristoteles'in fener bir biyonik modeli, bir çizim izometrik görünümüEkli kas 16 (gösterilmemiştir) lastik bantlar ile bağlı sanat. (B, C) ​​Aristoteles'in fener biyopsi hasat 13 için biyolojik ilham olarak görev yaptı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. bioinspiration sürecinin dört adım. Bioinspiration süreci (soldan sağa) pembe deniz kestanesi ve Aristoteles'in fenerin gözlem yoluyla doğadan öğrenme ile başlar. deniz kestanesi (üst) Analiz ve μ-BT taramaları (solda) den Aristoteles'in fener yapısı. (Sağ) elde edilen sonuçlar, bir Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım prototip oluşturmak için kullanılır. (Alt) Mühendislik analizi yöntemi, biyolojik Phen keşfetmek için uygulanmıştırTratra ve Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım 17,18. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. Aristoteles'in fener yapısının tomografi analizi Mikro bilgisayarlı. Dişleri destekleyen yardımcı piramit yapıların (A) Side view. (B) Denizkestanesi dişleri birbirinin üst üste yerleştirilirler ve beş kat simetri. (C) Distal uç kısımları beş dişler için uzunlamasına bağlı omurga yapıları göstermek için kaldırılır. (D) piramit (sarı) karşılık gelen bir birey diş ve salma (mavi) gösterilmiştir ve ayrıca (C) gösterilir. TıklayınızBurada bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 5,
Deniz kestanesi diş mikro Şekil 5. Tarama elektron mikroskopi (SEM) analizi, (A). Hafif taş şerit bölgesi ve omurga (alt) cilalı diş kesiti SEM mikrografı göstermektedir. (B, C) ​​(A) kavisli plaka ve yoğun bir Mg-zenginleştirilmiş polikristal matrisi (koyu gri) Yukarıda yer alan yuvarlak lif kalsit birincil öğeleri göstermek mor ve turuncu kutuları Backscattered elektron SEM mikro. Büyük halini görmek için tıklayınız bu rakamın.

Şekil 6,
şekil6. Montajlı 3D Aristoteles'in fener parçaları Biyolojik Tabanlı Akıllı baskılı. (A) E-istinat halkaları ve bağlantı çubukları üç ortak pozisyonlarda 3D baskılı diş parçalarını bağlamak için kullanılır. (B) çıkarılmış bir diş ile Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fener Montajlı. (C) Bireysel dişler için omurganın görüntüleme ve fener kısmen (solda) ve (sağda) tam açık değişen ortak tutumlar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Şekil 7. plajda Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fener tasarımı ve kullanım. (A, B) Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fener Bilgisayar destekli tasarım görüntüleri ise, kapalı ve tam açık sırasıyla. (Cı) 3D Aristoteles'in fener sahilde kum farklı toplanan Biyolojik Tabanlı Akıllı baskılı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Şekil 8. Biyolojik Tabanlı Akıllı deniz kestanesi diş stres analizi testi. (A, B) Sonlu eleman analizi olmayan karinalı (A) gösteren kuvvet diş kenarlarında uygulanır karinalı (B) dişin karşı. Omurgalı diş tasarımı nedeniyle omurganın eklenmesi ~% 16 daha az stres yaşadı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deniz kestaneleri çeşitli işlevler (döner beslenme, sıkıcı, vs.) için Aristoteles'in fener (Şekil 1A) kullanın. Fosil kayıtları, fener, modern deniz kestanesi 14 camarodont türüne en ilkel cidaroid türünden şekil ve fonksiyon bakımından gelişti olduğunu gösterir. Cidaroid fenerler uzunlamasına diş (Şekil 1B, üst) ve piramit yapısı olmayan ayrılmış kas eki yivli var. Bu onların yukarı ve aşağı hareket sınırlar ve daha modern camarodont fenerler (Şekil 1B, alt) görülmektedir yanal hareketi tarafından oluşturulan büyük kazıma gücü onları çalmaktadır. Biyologlar camarodonts gelişti omurgalı diş (Şekil 1C, D) sert yüzeyler 18,20,23 kazıma oluşturduğu kuvvetli çekme kuvvetleri altında diş güçlendirmek için bu spekülasyonlar var.

Kombine Bu çalışmada Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım protokolübiyoloji, biyolojik malzeme bilimi, Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım ve bioexploration (Şekil 3) örnekleme tortu için belirli bir işlevi olan bir Biyolojik Tabanlı Akıllı cihaz geliştirmek için. Aristoteles'in fener (Şekil 4) μ-BT taraması son örnekleyici tasarımı doğal yapısı karmaşık kas eki taklit etmedi sadece bu yana başvuru için bir STL dosyası olarak ithal edildi. Bunun yerine Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım Aristoteles'in fener örnekleyici içine montaj için bir 3D yazıcı tarafından kolaylıkla imal edilebilir parçaları ile basit bir açılış ve kapanış mekanizması kullandı. Yeni sonuçlar için izin bioexploration adım doğal biyoloji çıkarılması gereken beri Genel olarak, biz Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım için bir dairesel bir yaklaşım kullanılır. Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarımın potansiyel değişiklikler tortuları örnekleme yanı sıra farklı uygulamalar ele alabilir. Bu protokolün bir sınırlaması tabanlı bir aygıt için Biyolojik Tabanlı Akıllı sürecin belirli bir uygulama odaklı olmasıdırAristoteles'in fener. Bununla birlikte, burada açıklanan protokol analizi, geliştirme ve biyolojik örneklerde dayalı diğer Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarımları nihai üretim için uygulanabilir.

Bunun için birincil başvuru Aristoteles'in fener örnekleyici (Şekil 6) gevşek ve sıkıştırılmış kum (Şekil 7) toplamak için oldu Biyolojik Tabanlı Akıllı toplandı. İleriye baktığımızda, NASA yıllardır 29 üzerinde misyonlar arkaya sonra numune dönüş rover kullanarak Dünya'ya Mars örnekleri geri getirmek için bir planı vardır. Bir Biyolojik Tabanlı Akıllı Aristoteles'in fener örnekleyici ile donatılmış bir örnek-dönüş gezici gelecek misyonlar için yararlı olabilir. Doğal Aristoteles'in fener boyutunu andıran bir küçük örnekleyici diğer uygulamalar için faydalı olabilir. Doğal kestanesi diş sertlik anizotropi, kendi başlarına da ilginçtir, ancak bu Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarımına dahil edilmemiştir.

k Bioexplorationolmayan karinalı dişlerin karşı eeled (Şekil 8) doğal deniz kestanesi içinde omurganın önemli yapısal amacını doğruladı. bioexploration sonucu modern deniz kestanesi omurga yapıları gelişti açıklamaya yardımcı verileri sağlar. Biz Porter 17,18 deniz kestanesi dişin omurga yapısının mekanik avantaj ölçmek için mühendislik analiz yöntemleri kullanılarak için gerekli olan bu çalışmada, uygulanan bioexploration adımını öneren ilk olduğunu kabul ederler. Gelecek Biyolojik Tabanlı Akıllı doğal gözlem bağlayan tasarım, biyolojik malzeme bilimi, Biyolojik Tabanlı Akıllı tasarım ve bioexploration doğal tasarım ilkeleri ile daha derin köklü aşinalık dahil etmek için yararlı olabilir.

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