Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van Sea Urchin Jaws

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

Het gebied van biologie, biologische materialen wetenschap, biomaterialen, biotechnologie en biochemie gebruik van de première wetenschappelijke technieken en geesten in een poging om een ​​dieper begrip van de ongelooflijke natuurlijke wereld te bieden. Dit onderzoek heeft een groot aantal van de meest verbazingwekkende biologische structuren en organismen uitgelegd; van de intrinsieke taaiheid van menselijk bot 1,2 op de grote snavel van de toekan 3. Een groot deel van deze kennis is moeilijk te gebruiken op een manier die een voordeel kan bieden aan de samenleving. Als gevolg hiervan, de tangentiële gebied van bioinspiration maakt gebruik van de lessen die uit de natuur om moderne materialen om gemeenschappelijke problemen op te lossen. Voorbeelden hiervan zijn superhydrophobic oppervlakken geïnspireerd door lotusbloembladeren 4-6, lijm oppervlakken geïnspireerd op de voeten van gekko's en insecten 7,8, taai keramiek geïnspireerd door de parelmoer abalone 9-11 en biopsie harvesters geïnspireerd door het mondstuk van de zee-egel, ook wetenn als Aristoteles lantaarn 12,13.

Zee-egels zijn ongewervelde dieren bedekt met stekels wiens leefgebied meestal bestaat uit de rotsachtige bedden op de oceaanbodem. Het lichaam (een zogenaamde test) in de grootste urchin soort kan meer dan 18 cm in doorsnede; -test formaat in roze zee-egels (Strongylocentrotus fragilis) in deze studie onderzocht kan groeien tot 10 cm diameter. De Aristoteles lantaarn bestaat uit vijf voornamelijk calciumcarbonaat tanden ondersteund door piramidestructuren uit gemineraliseerd weefsel en gerangschikt in een formatie koepelachtige alle omsluiten maar het slijpen distale uiteinden van de tanden (Figuur 1A).

De spier structuur van de kaken in staat is om efficiënt kauwen en schrapen zelfs tegen harde oceaan rotsen en koralen. Wanneer de kaken open is, de tanden uitsteken naar buiten en wanneer de kaken in de buurt, de tanden te trekken naar binnen in één vloeiende beweging. Vergelijking tussen primitive (boven) en moderne (hieronder) zee-egel tand doorsneden (figuur 1B) geeft aan dat een keeled tand geëvolueerd om de tand te versterken bij het ​​slijpen tegen harde substraten. Elke individuele tand enigszins convexe kromming en een T-vormige morfologie in het horizontale vlak (loodrecht op de groeirichting) als gevolg van de in langsrichting vaste kiel (Figuur 1C, D).

Bioinspiration begint met het observeren van interessante natuurlijke fenomenen, zoals de efficiënte kauwen beweging van de lantaarn van Aristoteles in de zee-egels. Deze natuurlijke structuur in eerste instantie in de ban van Aristoteles, omdat het hem deed denken aan een hoorn lantaarn met de ruiten van hoorn weggelaten. Meer dan twee millennia later, Scarpa was gefascineerd door de complexiteit van de lantaarn van Aristoteles dat hij en later Trogu nagebootst van de natuurlijke kauwen beweging met behulp van alleen papier en elastiekjes (Figuur 2A) 15,16. Evenzo Jelinek werd bioinspired de chouwen beweging van de lantaarn van Aristoteles en ontwikkelde een beter biopsie oogstmachine die veilig tumorweefsel zonder verspreiden kankercellen (figuur 2B, C) ​​12,13 kan isoleren. In dit geval werd bioinspired ontwerp gebruikt om een ​​biomedische inrichting die een specifieke behoefte aan een gewenste toepassing te passen.

Het ontwerp-protocol hier beschreven is van toepassing op een sediment sampler bioinspired door zee-egels. Door middel van biologische materialen wetenschap, wordt de natuurlijke structuur van de lantaarn Aristoteles 'gekarakteriseerd. Bioinspired ontwerp identificeert potentiële toepassingen waar de natuurlijke mechanismen kan worden verbeterd door het gebruik van moderne materialen en fabricagetechnieken. Het uiteindelijke ontwerp is opnieuw onderzocht door het prisma van bioexploration te begrijpen hoe de natuurlijke tand structuur geëvolueerd (Figuur 3). De laatste bioexploration stap, door Porter 17,18 voorgesteld, maakt gebruik van technische analyse methoden om explore en uitleggen biologische verschijnselen. Alle belangrijke stappen van de werkwijze bioinspiration worden gepresenteerd als een voorbeeld voor het benutten technologie, vooraf goedgekeurde aard, die kan worden gebruikt voor het oplossen moderne problemen. Ons protocol, gemotiveerd door de vorige bioinspiration procedures gepresenteerd voor specifieke toepassingen door Arzt 7, is bedoeld voor biologen, ingenieurs en iedereen die is geïnspireerd door de natuur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. biologische Materials Science

  1. Draag persoonlijke beschermingsmiddelen (dat wil zeggen, handschoenen, een veiligheidsbril en laboratoriumjas) en volg alle van toepassing zijnde veiligheidsprocedures voor het gebruik van het ontleden van gereedschappen.
  2. Spoel de tang en scalpel met gedestilleerd water om te gebruiken voor dissectie.
  3. Ontdooi een bevroren roze zee-egel bij kamertemperatuur gedurende 1 uur. Plaats een ontdooide model in een glazen schaal met voldoende ruimte om te kunnen de egel en snijgereedschappen manoeuvreren. Draai het egel op zijn kop naar beneden, zodat de tanden tips naar boven.
    1. Knip het bindweefsel rond de omtrek van de lantaarn van Aristoteles met de scalpel en til de lantaarn. Spoel de lantaarn af met stromend gedestilleerd water. Gooi ongebruikte egel onderdelen op een juiste afvalcontainer.
    2. Draai de Aristoteles lantaarn weer, zodat de punten van de tanden naar beneden. Zoek de plumula einde van elke tand (tegenover de tip) naar boven en gebruik de tang om de zorgvolledig schuift individuele tanden van de lantaarn.
  4. Bereid epoxy pot de tanden. Weeg 5 g hars en voeg 1,15 g verharder (bijvoorbeeld, 100 delen hars tot 23 delen verharder gewichtsdelen) in een ondiepe wegwerp plastic bakje. Meng de inhoud samen langzaam, zonder de vorming van bubbels.
    Opmerking: Laat overgebleven gemengde epoxy in een container met onvoldoende blootstelling aan de atmosfeer. De uitharding is exotherm en kan de omgeving van ontvlambare ontbranden. Houd alle overgebleven gemengd epoxy in een goed geventileerde zuurkast uit de buurt van brandbare voorwerpen.
    1. Smeer een 2,5 dram plastic buis (22 mm binnendiameter, 39 mm lengte) met behulp van vaseline aangebracht met een vinger en veeg het overtollige met een tissue. Vul de buis helft met gemengde epoxy.
    2. Gebruik de tang op te halen een tand en zorgvuldig onderdompelen in de epoxy met de gebogen holle zijde naar boven. Laat de epoxy uitharding bij kamertemperatuur gedurende 24 uur.
      Let op: Voorkom dat de tand tip afglijden aan te rakende plastic buis muur als de epoxy kuren, omdat dit zal het polijsten van de tip moeilijker.
  5. Plaats de plastic buis met epoxy in een bankschroef. Draai de bankschroef langzaam tot een scheur wordt gemaakt in de plastic buis. Afpellen resterende plastic laag van de epoxy oppervlak.
    1. Gebruik een snijden zagen om de epoxy verminderen rond de tand een kleinere blok (1 cm3).
  6. Bereid een schone ruimte voor het polijsten en het opzetten van een vlakke werkplek met een hard plastic bord. Vul een spuitfles met gedestilleerd water.
    1. Begin met de laagste grit schuurpapier beschikbaar (bijvoorbeeld 120) en knijp een kleine hoeveelheid water uit de wasfles op het schuurpapier. Met lichte druk wrijven het monster in een heen en weer richting (bijvoorbeeld, links-rechts) gedurende 5 min.
    2. Afwassen het oppervlak van het monster over een wastafel en veeg met een deeltje-vrij weefsel. Verwijder eventueel overgebleven schuurpapier korrel met samengeperste lucht gedurende 15 sec.
    3. Gebruik steeds hogere grit schuurpapier (bv, 600 en 2400) te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2. Onder lichte druk, wrijf het monster in een heen en weer richting loodrecht op de vorige polijststap (bijvoorbeeld tot beneden, links-rechts).
      Opmerking: Gebruik een lichte microscoop bij 20x vergroting te zien loodrecht krassen kruisen met elkaar grit niveau (bijvoorbeeld 120, 600, 2400). Ga naar de volgende hogere schuurpapier wanneer krassen van het vorige grit level verdwijnen.
    4. Bereid een spuitfles met 3 urn diamantslijpen suspensie in een 1: 1 gedestilleerd water oplossing. Gebruik een polish doek voor diamant schorsingen te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2.
    5. Bereid een spuitfles met 0,5 urn alumina polijstsuspensie in een 1: 1 gedestilleerd water oplossing. Gebruik een microcloth polijsten oppervlak te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2.
      Opmerking: Fijn krassen van protocol stappen 1.6.4 en 1.6.5 zal niet visible bij 20X vergroting. Voor deze protocol stappen, polish gedurende 5 min in een heen en weer beweging om alle voorgaande krassen te verwijderen.
    6. Reinig het gepolijste oppervlak met gedestilleerd water en gebruik partikelvrij weefsel perslucht zorgvuldig drogen. Wrap met deeltjes-vrij weefsel spiegel gepolijste afwerking te behouden.
      Opmerking: Droog alle oppervlakken polijsten gezicht naar beneden op grote deeltjes vrij weefsels. Opslaan in een plastic koker om stofdeeltjes de afwikkeling op het oppervlak tussen het polijsten keer voorkomen.
  7. Kenmerkend zijn voor de zee-egel tand microstructuur met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Gebruik een sputter coater om iridium met een afzettingssnelheid stroom van 85 mA gedurende 10 seconden sputteren op het gepolijste tandoppervlak een laagdikte van ~ 20 nm.
    1. Verkrijgen micrografische afbeeldingen bij 250X - 4,000X vergroting met een SEM.
      Opmerking: Gebruik 5 kV in de mode scanning electron (SE) en 15 kV in de mode-back verstrooide elektronen (BSE). Gebruik BSE-modus om calciet fib identificereners afgewisseld met Mg-verrijkte polykristallijne matrix.
  8. Voer micro-computertomografie (μ-CT) scans van een heel roze zee-egel en een vers ontleed Aristoteles lantaarn. Plaats elk ontdooid monster in de gesloten kamer container met een vochtig weefsel om een ​​vochtige omgeving, terwijl het scannen te bieden.
    1. Scan de hele egel en Aristoteles lantaarn door μ-CT met een isotrope voxel grootte van 36.00 pm en 9,06 pm, respectievelijk. Breng een elektrische potentiaal van 100 kVp en 70 kVp met stroom van 100 mA en 141 mA, voor de gehele egel en Aristoteles lantaarn, respectievelijk met een 1,0 mm aluminium filter voor beide.
    2. Breng een bundelverharding-algoritme beeldreconstructie tijdens rekenschap voor bundelverharding artefacten als gevolg van de μ-CT x-ray source emitting röntgenstralen meerdere energiebronnen gebruiken protocol van de fabrikant.
  9. Gebruik imaging software te verfijnen image segmentatie en het verwerven van een driehoek mesh model voor de Aristoteles lantaarn structuur.
    1. Load en een voorbeeld van Aristoteles lantaarn beeldgegevens van de μ-CT-scan. Overeenkomen met de voxel grootte (9,06 pm) om de waarden van de micro-CT scan.
    2. Gebruik een volume rendering functie lantaarn van de Aristoteles in 3D-ruimte te visualiseren. Pas de orthogonale slice 2D met het selectiekader module en pas de drempelwaarde / kleur met de Volume Rendering-module.
    3. Maak masker segmenten voor de regio van belang (bijvoorbeeld zee-egel tand) met behulp van de segmentatie editor. Selecteer XY, YZ en XZ vliegtuigen en de 3D-isometrische weergave. Gebruik de toverstaf (zwarte pijl) om onderscheid te maken tussen de eenvoudige structuren (tand vs. piramide) in de lantaarn van Aristoteles.
    4. Reconstrueren model oppervlak van de uitgepakte masker segmenten. Selecteer de oppervlaktegeneratie module en toepassen. Schakel het Volume Rendering-instellingen om de zichtbare bovenzijde verdwijnen. Voeg deSurface View module aan de oppervlakte resultaat weer te geven.
    5. Vereenvoudig het model oppervlak door het verminderen van het aantal gezichten <18.000.
    6. Bewerk individuele driehoek mazen van het model oppervlak als dat nodig is. Sla het model als een stereolithografie (STL) bestand voor de uitvoer te gebruiken met computerondersteund ontwerp (CAD) modelling software.

2. Bioinspired Ontwerp

  1. Gebruik de Aristoteles lantaarn uit de micro-CT-scan als een verwijzing naar een bioinspired ontwerp met CAD modelling software.
    Opmerking: De bioinspired ontwerp heeft vijf gebogen tanden met een hoogte van 6 cm en een diameter van 8 cm voor de gesloten lantaarn. Het wordt opgeschaald ~ 5x van de grootte van de natuurlijke lantaarn van Aristoteles.
  2. Sla het STL-bestand delen tot een flash drive en de bestanden te uploaden naar een Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printer.
    1. Load acrylonitril butadieen styreen (ABS) plastic ondersteuning of kunststof cartridges in de juiste sleuven van de 3D printer.
    2. Steek de modellering te baseren op de Z-platform en lijn tabs met sleuven op de metalen lade.
    3. Open elke STL bestandsdelen en volg het beeldscherm stappen om de lantaarn onderdelen tegelijkertijd drukken.
      Opmerking: Lantaarn onderdelen moeten passen binnen de gebouwschil (25 x 25 x 30 cm 3) voor de 3D-printer. Alle vijf tanden zijn aangebracht op het modelleren basis en tegelijkertijd afgedrukt met de tandkop naar boven. De opbouw bedraagt ​​16 cm 3 per uur en de totale bouwtijd bedraagt ​​ongeveer 8 uur.
    4. Laat het modelleren voet van de tabs wanneer alle bestanden delen worden gedrukt en schuif de basis van de 3D-printer langs de lade geleiders.
    5. Gebruik een metalen spatel om alle delen van de basis en een metalen bestand wrikken te slijten extra plastic aan de onderdelen.
    6. Plaats de afgedrukte onderdelen in een verwarmde basis staan ​​totdat de drager kunststof oplost.
  3. Bevestig elke tand om een ​​gezamenlijke arm met een link staaf en twee E borgringen aan weerszijden.
    Opmerking: Zie Figuur 6 voor de assemblage van de lantaarn bioinspired Aristoteles.

3. Bioexploration

  1. Gebruik het CAD-bestand voor de bioinspired tand om een ​​eindige elementen modellering (FEM) stress-analyse test te doen.
    1. Open het bestand (xx.sldprt) om verdere technische analyse te doen. Boven de tab "Office Products", selecteer de "SolidWorks Simulation" knop.
    2. Boven de tab "Simulation", selecteer de "studieadviseur" knop en dan de drop-down optie 'Nieuwe studie ".
    3. Selecteer het type simulatie-test moet worden uitgevoerd door te kiezen voor "Static".
    4. Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op "Wedstrijden" en selecteer "Fixed Geometry".
    5. Klik op de binnenste gezichten fixtures toe te voegen aan de montagegaten waar de pinnen zal gaan.
    6. Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op de "externe belastingen" en Select "Force".
    7. Klik op de tand slijpen tip gezichten tot 45 N kracht op de randen.
    8. Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op de "externe belastingen" en selecteer "Gravity".
    9. Geef "Top Plane" voor de zwaartekracht loodrecht op het vlak toegepast.
    10. Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op "Netwerk" en selecteer "Create Mesh".
    11. Verplaats de schaal bar voor "Mesh Density" helemaal naar rechts voor "Fijn".
    12. Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op "Static" en selecteer "Run" om de test uit te voeren.
      Let op: De gekleurde schaal bar voor gebieden met de hoogste spanning en de 'Yield Strength ".
  2. Vergelijk stress-analyse testresultaten voor de bioinspired tand met en zonder de kiel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bioinspired ontwerp van de Aristoteles lantaarn sampling apparaat hangt sterk af van de kwaliteit van de karakterisering methoden. Non-invasieve technieken zoals μ-CT zijn nuttig voor het analyseren van de gehele lantaarn en afzonderlijke snijkanten toepassingsspecifieke uitbreidingen gelden voor bioinspired vormgeving (figuur 4). Ondertussen kan de tand microstructuur worden onderzocht via secundaire elektronen en back-verstrooide elektronen microfoto van het gepolijste doorsnede van een tand (Figuur 5). De donkergrijze gebied is het hardere deel van de steen vijlen tip en bestaat uit maximaal 40 mol% magnesiumatomen dat de calcium atomen vervangen.

Analyse van de tand microstructuur BSE-SEM (Figuur 5) bevestigde het structurele belang van het Mg-verrijkte steen deel aan het tandenknarsen tip. Plaat en vezels primary elementen (calciet monokristallen, lichter grijs in figuur 5C) zijn met elkaar verbonden door een matrix van secundaire elementen (calciet en magnesiumcarbonaat polykristallen, donkergrijze in figuur 5C), die deel uitmaken van de hardste steen gebied van de tand slijpen tip.

De bioinspired lantaarn is ontworpen met CAD-software, 3D geprint en geassembleerd (figuur 6) voor het verzamelen van zand op het strand (figuur 7). Spanningsanalyse testen werden gebruikt voor de von Mises spanning van twee tanden ontwerpen zonder het kiel (figuur 8A) en een met de kiel (figuur 8B) te berekenen. Een solide netwerk bestaat uit tetraëders werd gebruikt over de geometrie van de tand. De kracht gekozen waarde (45 N) gekoppeld metingen van proeven op het strand 1 cm diep in harde zand met lantaarn tanden dringen loodrecht op het oppervlak.

(figuren 7A, B). De massatoename is klein in vergelijking met de afname van stress die de kiel verschaft. De daling van spanning demonstreert de effectiviteit van deze bioinspired ontwerp voor concentratie van spanning in de keeled regio.

Figuur 1
Figuur 1. Zee-egel Aristoteles lantaarn en tand morfologie. (A) Close-up van het ventrale weergave van een zee-egel (links) en de Aristoteles lantaarn (rechts) 13. (B) doorsneden van degegroefde tand van een primitieve cidaroid egel (boven) en de keeled tand van een moderne camarodont egel (onder) 14. (C) Een geïsoleerde tand gezien vanaf de zijkant met de punt (onder) en aangegeven kiel (links) 20. (D) SEM beeld van een gepolijste tand doorsnede de aangegeven kiel (onder) 20. Afbeeldingen aangepast van aangegeven referenties voor (A), (B), (C) en (D). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Bioinspired ontwerpen op basis van de lantaarn van Aristoteles. (A) isometrisch aanzicht van een tekening voor een bionische model van de lantaarn van Aristoteles, die 3D-bedrukte plastic p heeftarts verbonden door elastiekjes (niet getoond) voor de verbonden musculatuur 16. (B, C) ​​De Aristoteles lantaarn diende als een biologische inspiratie voor een biopsie harvester 13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Vier stappen van het bioinspiration proces. (Met de klok mee van links) De bioinspiration proces begint met het leren van de natuur door middel van observatie van de roze zee-egel en Aristoteles lantaarn. (Top) Analyse van de zee-egels en Aristoteles lantaarn structuur van μ-CT-scans (links). (Rechts) Verzameld resultaten worden gebruikt om een ​​bioinspired ontwerp prototype genereren. (Bodem) Techniek analysemethoden werden toegepast op biologische phen verkennenOmena en de bioinspired ontwerp 17,18. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Micro-computertomografie analyse van de Aristoteles lantaarn structuur. (A) Zijaanzicht van de piramide structuren die helpen om de tanden te ondersteunen. (B) Zee-egel tanden stapel op de top van elkaar en vertonen vijfvoudige symmetrie. (C) Het distale einddelen worden verwijderd om de in langsrichting bevestigd kielconstructies voor alle vijf tanden tonen. (D) Een individuele tand en keel (blauw) met bijbehorende piramide (geel) worden getoond en ook aangegeven in (C). Klikhier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) analyse van de zee-egel tand microstructuur. (A) SEM microfoto van een gepolijste dwarsdoorsnede tand met zwakke steen streep gebied en keel (onder) aangegeven. (B, C) ​​Strooilicht- elektronenmicroscoop SEM microfoto van de paarse en oranje dozen van (A) tonen gebogen plaat en rond primaire elementen fiber calciet boven een dichtere Mg-verrijkte polykristallijne matrix (donkergrijze) gelegen. Klik hier om een grotere versie te bekijken van dit cijfer.

figuur 6
Figuur6. Gemonteerd 3D afgedrukt bioinspired Aristoteles lantaarn delen. (A)-E te behouden ringen en koppeling staven worden gebruikt om de 3D-gedrukte tand delen op drie gemeenschappelijke standpunten vast te maken. (B) gemonteerd bioinspired Aristoteles lantaarn met één tand verwijderd. (C) Zicht op de kiel voor individuele tanden en de veranderende gemeenschappelijke standpunten wanneer de lantaarn gedeeltelijk (links) en volledig open (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7. Bioinspired Aristoteles lantaarn ontwerp en het gebruik op het strand. (A, B) van de computer-aided design afbeeldingen van de lantaarn bioinspired Aristoteles respectievelijk terwijl gesloten en volledig open. (C) De 3D afgedrukt bioinspired Aristoteles lantaarn verschillende soorten zand op het strand verzameld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8. Bioinspired zeeegel tand spanningsanalyse proef. (A, B) Eindige element analyse blijkt de niet-keeled (A) versus keeled (B) tandje op wordt uitgeoefend op de tandranden. De keeled tandontwerp ervaren ~ 16% minder stress als gevolg van de toevoeging van de kiel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Zee-egels gebruik maken van de Aristoteles lantaarn (Figuur 1A) voor een verscheidenheid aan functies (voeding, saai, zwenken, etc.). Het fossiele verslag wijst erop dat de lantaarn in vorm en functie is voortgekomen uit de meest primitieve cidaroid type om de camarodont soort moderne zee-egels 14. Cidaroid lantaarns zijn langsrichting gegroefde tanden (Figuur 1B, boven) en niet-gescheiden spieraanhechting zijn piramidestructuur. Dit beperkt hun op en neer bewegen en berooft hen van de grotere schrapen energie, opgewekt door zijwaartse beweging die wordt waargenomen in de modernere camarodont lantaarns (Figuur 1B, onder). Biologen hebben gespeculeerd dat de keeled tand (Figuur 1C, D) geëvolueerd camarodonts de tand onder de sterke trekkrachten die door schrapen harde substraten 18,20,23 versterken.

De bioinspired ontwerp-protocol in dit werk gecombineerdbiologie, biologische materiaalkunde, bioinspired ontwerp en bioexploration (figuur 3) een bioinspired apparaat ontwikkelen een specifieke functie bemonsteren sediment. De μ-CT-scan van de Aristoteles lantaarn (figuur 4) werd ingevoerd als een STL bestand alleen ter referentie, omdat het uiteindelijke sampler ontwerp niet het complex spieraanhechting in de natuurlijke structuur niet na te bootsen. In plaats daarvan de bioinspired ontwerp gebruikt een eenvoudiger openen en sluiten mechanisme met delen die gemakkelijk kunnen worden vervaardigd door een 3D-printer voor de montage in de Aristoteles lantaarn sampler. Over het algemeen, gebruikten we een circulaire aanpak voor bioinspired ontwerp, omdat de bioexploration stap toegestaan ​​nieuwe conclusies uit de natuurlijke biologie worden getrokken. Mogelijke aanpassingen van de bioinspired ontwerp kan verschillende toepassingen naast het bemonsteren sediment aan te pakken. Een beperking van dit protocol is dat het is gericht op een specifieke toepassing van de bioinspired werkwijze voor een inrichting gebaseerdlantaarn op de Aristoteles. Echter, de hier geschetste protocol worden toegepast op de analyse, ontwikkeling en uiteindelijke vervaardiging van andere bioinspired gebaseerd op wat biologische monsters.

De primaire toepassing voor deze geassembleerd bioinspired Aristoteles lantaarn sampler (Figuur 6) was voor het verzamelen van losse en verdicht zand (figuur 7). Wat de toekomst betreft, NASA heeft een plan om terug Mars monsters naar de aarde met behulp van een sample-return rover na een opeenvolging van missies gedurende vele jaren 29 te brengen. Een sample-return rover uitgerust met een bioinspired Aristoteles lantaarn sampler kan gunstig zijn voor toekomstige missies. Een kleinere sampler dat de grootte van een lantaarn natuurlijke Aristoteles lijkt ook nuttig zijn voor andere toepassingen. De anisotropie van hardheid in de natuurlijke egel tanden, terwijl interessant in zijn eigen recht, werd niet opgenomen in dit bioinspired ontwerp.

Bioexploration keeled versus niet-keeled tanden bevestigde de belangrijke structurele doel van de kiel in natuurlijke zee-egels (Figuur 8). Het bioexploration resultaat levert gegevens dat helpt verklaren waarom de moderne zee-egels geëvolueerd kiel structuren. Wij erkennen dat Porter 17,18 was de eerste die de bioexploration stap toegepast in dit werk, die essentieel zijn voor het gebruik van technische analyse methoden om het mechanische voordeel van de kiel structuur te kwantificeren in de zee-egel tand was voor te stellen. Toekomstige bioinspired ontwerp dat natuurlijke observatie verbindt, biologische materialen wetenschap, bioinspired ontwerp en bioexploration kan nuttig zijn voor het opnemen van een dieper geworteld vertrouwdheid met natuurlijke ontwerp principes.

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