En protokol til bioinspirerede Design: En Ground Sampler Baseret på 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

De inden for biologi, biologiske materialer videnskab, biomaterialer, bioteknologi og biokemi ansætte premiere videnskabelige teknikker og sind i et forsøg på at give en dybere forståelse af den utrolige naturlige verden. Denne forskning har forklaret mange af de mest fantastiske biologiske strukturer og organismer; fra den iboende sejhed af human knogle 1,2 til den store næb af toucan 3. En stor del af denne viden er vanskelig at anvende på en måde, som kan give en fordel for samfundet. Som et resultat, den tangentielle område bioinspiration beskæftiger erfaringerne fra naturen til moderne materialer for at løse fælles problemer. Som eksempler kan nævnes superhydrophobic overflader inspireret af lotus blade 4-6, klæbende overflader inspireret af fødderne af gekkoer og insekter 7,8, hårde keramik inspireret af Nacre af abalone 9-11 og biopsi høstmaskiner inspireret af mundstykket på søpindsvin, også viden som Aristoteles 'lanterne 12,13.

Søpindsvin er hvirvelløse dyr dækket med pigge, hvis levested oftest består af rocky senge på havets bund. Kroppen (kaldet en test) i de største urchin arter kan være mere end 18 cm i diameter; test størrelse i pink søpindsvin (Strongylocentrotus fragilis) undersøgt i denne undersøgelse kan vokse til 10 cm i diameter. Den Aristoteles 'lanterne består af fem primært består calciumcarbonat tænder understøttes af vertikale strukturer bestående af mineraliseret væv og arrangeret i en kuppel-lignende formation, der omslutter alle, men de distale slibning tips af tænderne (figur 1A).

Musklen struktur af kæberne er i stand til effektivt tygge og skrabe selv mod hårde ocean sten og koraller. Når kæberne åbne, tænderne rager udad og når kæberne tæt, tænderne trække indad i en enkelt glidende bevægelse. Sammenligning mellem Primitive (ovenfor) og moderne (nedenfor) søpindsvin tand tværsnit (figur 1B) viser, at en keeled tand udviklet sig til at styrke tanden ved slibning mod hårde underlag. Hver enkelt tand har en lidt konveks krumning og en T-formet morfologi i det tværgående plan (vinkelret på væksten retning) på grund af den i længderetningen fastgjort køl (figur 1C, D).

Bioinspiration begynder med observation af interessante naturfænomener, såsom effektiv tygge bevægelse af Aristoteles 'lanterne i søpindsvin. Denne naturlige struktur oprindeligt tryllebundet Aristoteles, fordi det mindede ham om en Hornlygte med ruder af horn udeladt. Mere end to årtusinder senere blev Scarpa fascineret af kompleksiteten af Aristoteles 'lanterne, at han og senere Trogu efterlignede den naturlige tygge bevægelse ved hjælp af kun papir og elastikker (figur 2A) 15,16. Tilsvarende blev Jelinek bioinspirerede af chugge bevægelse af Aristoteles 'lanterne og udviklet en bedre biopsi mejetærsker, der sikkert kunne isolere tumorvævet uden at sprede kræftceller (figur 2B, C) ​​12,13. I dette tilfælde blev bioinspirerede design anvendt til at udføre en biomedicinsk anordning, der passer til et specifikt behov for en ønsket anvendelse.

Den her beskrevne design protokol gælder for et sediment sampler bioinspirerede af søpindsvin. Gennem biologiske materialer videnskab, er den naturlige struktur af Aristoteles 'lanterne karakteriseret. Bioinspirerede design identificerer potentielle applikationer, hvor de naturlige mekanismer kan forbedres gennem anvendelse af moderne materialer og fremstillingsteknik. Det endelige design er fornyet behandling gennem prisme af bioexploration at forstå, hvordan den naturlige tand struktur udviklet sig (Figur 3). Det sidste bioexploration skridt, foreslået af Porter 17,18, bruger engineering analysemetoder til eXplore og forklare biologiske fænomener. Alle de vigtige trin i bioinspiration processen præsenteres som et eksempel for at udnytte teknologien, forhåndsgodkendt af naturen, som kan bruges til at løse moderne problemer. Vores protokol, motiveret af tidligere bioinspiration procedurer præsenteres til specifikke applikationer fra Arzt 7, er målrettet til biologer, ingeniører og alle andre, der er inspireret af naturen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Biologisk Materials Science

  1. Brug personligt beskyttelsesudstyr (dvs. handsker, sikkerhedsbriller og kittel) og følger alle gældende sikkerhedsprocedurer for brug dissekere værktøjer.
  2. Skylle pincet og skalpel med destilleret vand til brug for dissektion.
  3. Tø en frossen lyserød søpindsvin ved stuetemperatur i 1 time. Placer en optøede modellen i en glasskål med tilstrækkelig plads til at være i stand til at manøvrere Urchin og skærende værktøjer. Vend urchin på hovedet, således at tænderne tips opad.
    1. Skær væk bindevæv omkring omkredsen af ​​Aristoteles 'lanterne med skalpel og løft forsigtigt ud Lygten. Skyl lanterne ud med rindende vand. Kassér ubrugte urchin dele i en ordentlig affaldsbeholder.
    2. Drej Aristoteles 'lanterne igen, så spidserne af tænderne nedad. Find plumula ende af hver tand (modsat spidsen) opad og bruge tangen til plejeglide helt ud individuelle tænder fra lygten.
  4. Forbered epoxy til pot tænderne. Afvej 5 g harpiks og tilsæt 1,15 g hærder (f.eks 100 dele harpiks til 23 dele hærder efter vægt) i en lavvandet engangs plastik bakke. Blande indholdet sammen langsomt uden at danne bobler.
    Bemærk: Lad ikke sidesten blandet epoxy i en beholder med utilstrækkelig eksponering til atmosfæren. Hærdeprocessen er exoterm og kan antænde nærliggende brandfarlige. Hold alle rester blandet epoxy i et godt ventileret stinkskab væk fra brændbare genstande.
    1. Smør en 2,5 dram plastrør (22 mm indvendig diameter, 39 mm længde) ved hjælp af vaseline påføres med en finger og tør overskydende med en serviet. Fyld glasset halvt med blandet epoxy.
    2. Brug pincet til at hente en tand og omhyggeligt nedsænkes i epoxyen med den buede konkave side opad. Lad epoxyen hærder ved stuetemperatur i 24 timer.
      Bemærk: Undgå tanden tip fra drifting at røreplastrøret væggen som epoxy hærder, da dette vil gøre polering spidsen vanskeligere.
  5. Placer plastrør med hærdet epoxy i en skruestik. Spænd skruestikken langsomt, indtil en revne er lavet i plastik rør. Skræl væk resterende plastik fra epoxy overflade.
    1. Brug en sektionering så at skære epoxy rundt om tanden ned til en mindre blok (1 cm3).
  6. Forbered et rent område til polering og oprette en flad arbejdsplads med en hård plast bord. Fyld en sprayflaske med destilleret vand.
    1. Starte med den lavest sandpapir korn til rådighed (f.eks, 120) og klemme en lille mængde vand fra vaskeflaske onto sandpapir. Ved hjælp af et let tryk, gnide prøven i en frem og tilbage retning (fx venstre-højre) i 5 min.
    2. Vaske overfladen af ​​prøven over en vask og tør med en partikelfri væv. Fjern eventuelle rester sandpapir grus med trykluft i 15 sek.
    3. Brug progressivt højere sandpapir korn (fx 600 og 2400) for at gentage protokol trin 1.6.1 og 1.6.2. Ved hjælp af et let tryk, gnide prøven i en frem og tilbage retning vinkelret på den forrige polish trin (fx op-ned, venstre-højre).
      Bemærk: Brug et lysmikroskop ved 20X forstørrelse at se vinkelret ridser skærer hvert grus niveau (f.eks, 120, 600, 2400). Flyt til det næste højere sandpapir korn når ridser fra den tidligere grus niveau forsvinde.
    4. Forbered en sprayflaske med 3-um diamantpolering suspension i en 1: 1 destilleret vandopløsning. Brug en polsk klud til diamant suspensioner at gentage protokol trin 1.6.1 og 1.6.2.
    5. Forbered en sprayflaske med 0,5-um aluminiumoxid polering suspension i en 1: 1 destilleret vandopløsning. Brug en microcloth polerflade til at gentage protokoltrin 1.6.1 og 1.6.2.
      Bemærk: Fin ridser fra protokol trin 1.6.4 og 1.6.5 vil ikke være visible ved 20X forstørrelse. For disse protokoltrin, polish i 5 minutter i en tilbagegående bevægelse for at fjerne alle tidligere ridser.
    6. Rens den polerede overflade med destilleret vand og brug partikelfri væv med trykluft til omhyggeligt tørre. Wrap med partikel-fri væv for at opretholde spejl poleret finish.
      Bemærk: Tør alle polering overflader med forsiden nedad på store partikel-fri væv. Opbevar i en plastik ærme for at undgå støvpartikler bosætter på overfladen mellem polering gange.
  7. Karakterisere søpindsvin tand mikrostruktur under anvendelse af scanningselektronmikroskopi (SEM). Brug en pådampningsbelægningsmaskinen at sprutte iridium med en aflejring strøm på 85 mA i 10 sekunder på den polerede tandoverflade til en belægningstykkelse på ~ 20 nm.
    1. Opnå micrograph billeder på 250X - 4,000X forstørrelse under anvendelse af et SEM.
      Bemærk: Anvend 5 kV i scanning elektron (SE) -tilstand og 15 kV i tilbagekastet elektron (BSE) mode. Brug BSE-tilstand for at identificere calcit fibERS afbrudt af Mg-beriget polykrystallinske matrix.
  8. Udfør mikro-computertomografi (μ-CT) scanninger af en hel lyserød søpindsvin og en frisk dissekeret Aristoteles 'lanterne. Placer hver optøet prøve inde i lukket kammer beholder med en fugtig væv til at give et fugtigt miljø under scanning.
    1. Scan hele urchin og Aristoteles 'lanterne med μ-CT med en isotropisk voxel størrelse på 36,00 um og 9,06 um hhv. Påfør et elektrisk potentiale på 100 kVp og 70 kVp med strøm på 100 mA og 141 mA, for hele urchin og Aristoteles 'lanterne, henholdsvis ved hjælp af en 1,0 mm aluminium filter til begge.
    2. Påfør en stråle hærdning algoritme til korrektion under genopbygning billede for at tage højde for beam hardening artefakter, der skyldes den μ-CT røntgenkilde der udsender røntgenbilleder af flere energier der anvender fabrikantens protokol.
  9. Brug imaging software til at forfine image segmentering og erhverve en trekant mesh model for Aristoteles 'lanterne struktur.
    1. Belastning og forhåndsvisning Aristoteles 'lanterne billeddata fra μ-CT-scanning. Match voxel størrelse (9,06 um) til værdierne fra mikro-CT-scanning.
    2. Brug en volumen rendering funktion til at visualisere Aristoteles 'lanterne i 3D-rum. Juster 2D ortogonale skive med Afgrænsningsramme modulet og justere grænseværdien / farve med Volume Rendering modulet.
    3. Gør maske segmenter for regionen af interesse (fx søpindsvin tand) ved hjælp af segmentering editor. Vælg XY, YZ, og XZ fly og 3D isometrisk. Brug tryllestaven (sort pil) for at skelne mellem simple strukturer (tand vs. pyramide) i Aristoteles 'lanterne.
    4. Rekonstruere model overfladen fra de udtrukne maske segmenter. Vælg Surface Generation modul og anvende. Fravælg Volume Rendering Indstillinger for at få den synlige top overflade forsvinde. TilsætSurface View modul til at vise overfladen resultat.
    5. Forenkle model overflade ved at reducere antallet af ansigter til <18.000.
    6. Rediger individuelle trekant maske på modellen overfladen efter behov. Gem modellen som stereolitografi (STL) fil for at eksportere til brug med computer-assisteret design (CAD) modellering software.

2. bioinspirerede Design

  1. Brug Aristoteles 'lanterne fra mikro-CT-scanning som en reference til at gøre en bioinspirerede design med CAD modellering software.
    Bemærk: Den bioinspirerede design har fem buede tænder med højde 6 cm og diameter 8 cm til den lukkede lanterne. Det opskaleres ~ 5x fra størrelsen af ​​det naturlige Aristoteles 'lanterne.
  2. Spar STL fil dele til et flashdrev de og overføre filerne til en smeltet deposition modellering (FDM) 3D-printer.
    1. Load acrylonitril butadien styren (ABS) plast og support plastmateriale patroner ind i de relevante slots i 3D printer.
    2. Sæt modellering base på Z-platformen og tilpasse faner med hullerne på metalbakke.
    3. Åbn hver af STL fil dele og følg display skærmen trin for at udskrive alle lanterne dele på samme tid.
      Bemærk: Lantern dele skal passe inden klimaskærmen (25 x 25 x 30 cm 3) for 3D-printer. Alle fem tænder er anbragt på modellering base og udskrives samtidigt med tanden spids opad. Opbygningen sats er 16 cm 3 i timen, og den samlede build er cirka 8 timer.
    4. Slip modellering base fanerne, når alle fil dele er trykt og skub bunden ud af 3D-printer langs bakken guider.
    5. Brug en metalspatel at lirke alle dele af base og et metal fil slides nogen ekstra plast fastgjort til delene.
    6. Placer de trykte dele i et opvarmet basis bad, indtil støtte plastmateriale opløses.
  3. Fastgør hver tand til en fælles arm med en link stang og to E-låseringe på begge sider.
    Bemærk: Der henvises til Figur 6 for montering af bioinspirerede Aristoteles 'lanterne.

3. Bioexploration

  1. Brug CAD-filen for bioinspirerede tand til at gøre en finite element modellering (FEM) stress analyse test.
    1. Åbn filen (xx.sldprt) til at gøre yderligere teknisk analyse. Over fanen "Office Products", vælg "SolidWorks Simulation" knappen.
    2. Over fanen "Simulation", skal du vælge knappen "Undersøgelse Advisor" og derefter drop-down option "Ny Study".
    3. Vælg den type simulering test, der skal køres ved at vælge "Static".
    4. På den Statisk Test listen, højreklik på "Fixtures" og vælg "Fixed Geometri".
    5. Klik på indersiderne at tilføje inventar til monteringshullerne, hvor stifter vil gå.
    6. På den Statisk Test listen, højreklikke på "Eksterne Loads" og SELECt "force".
    7. Klik på tanden slibning tip ansigter at anvende 45 N kraft til kanterne.
    8. På den Statisk Test listen, højreklikke på "Eksterne Loads" og vælg "Gravity".
    9. Anføres "Top Plane" for tyngdekraften påføres vinkelret på planet.
    10. På den Statisk Test listen, skal du højreklikke på "Mesh", og vælg "Opret Mesh".
    11. Flyt skalalinjen for "Mesh Density" hele vejen til højre for "Fine".
    12. På den Statisk Test listen, skal du højreklikke på "Static" og vælg "Kør" for at køre testen.
      Bemærk: Den farvede skala bar for områder af højeste stress og "Yield Strength".
  2. Undersøg stress analyse testresultater for bioinspirerede tand med og uden køl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bioinspirerede design af Aristoteles 'lanterne sampling enhed afhænger i høj grad af kvaliteten af ​​den karakterisering metoder. Ikke-invasive teknikker som μ-CT er nyttige til analyse af hele lanterne og individuelle tænder til at anvende applikationsspecifikke forbedringer for bioinspirerede design (figur 4). I mellemtiden kan tanden mikrostruktur undersøges via sekundær elektron og tilbagekastet elektronmikrofotografier af den polerede tværsnit af en individuel tand (figur 5). Jo mørkere grå område er den hårdere sten del af tanden slibning spids og består af op til 40 mol% magnesium atomer, som erstatter de calcium atomer.

Analyse af tanden mikrostruktur med BSE-SEM (figur 5) bekræftede den strukturelle betydningen af Mg-berigede sten del i tand slibning spids. Plate og fiber primary elementer (calcit énkrystaller, lysere grå i figur 5C) er forbundet med hinanden ved en matrix af sekundære elementer (calcit og magnesiumcarbonat polycrystals, mørkere grå i figur 5C), der udgør den hårdeste sten region af tandslibning spids.

Den bioinspirerede lanterne er designet med CAD-software, 3D trykt og samlet (figur 6) til opsamling af sand på stranden (figur 7). Spændingsanalyse tests blev anvendt til at beregne von Mises stress af to tand design, en uden kølen (figur 8A) og den anden med kølen (figur 8B). En fast maske bestående af tetraedre blev anvendt over geometrien af ​​tanden. Den kraft værdi vælges (45 N) matchede målinger fra forsøg på stranden til at trænge 1 cm dybt i hårde sand med lanterne tænder vinkelret på overfladen.

(figur 7A, B). Massen stigning er lille sammenlignet med faldet i stress, kølen giver. Faldet i stress viser effektiviteten af ​​denne bioinspirerede design for koncentrationen af ​​stress i keeled region.

figur 1
Figur 1. Søpindsvin Aristoteles 'lanterne og tand morfologi. (A) Close-up af den ventrale visning af en Søpindsvin (til venstre) og Aristoteles' lanterne (højre) 13. (B) Tværsnit afrillede tand af en primitiv cidaroid urchin (øverst) og den keeled tand af en moderne camarodont urchin (nederst) 14. (C) En isoleret tand set fra siden med spids (nederst) og angivet køl (venstre side) 20. (D) SEM billede af en poleret tand tværsnit med den angivne køl (nederst) 20. Billeder tilpasset fra angivne referencer for (A), (B), (C) og (D). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. bioinspirerede designs baseret på Aristoteles 'lanterne. (A) Isometrisk billede af en tegning til en bionisk model af Aristoteles' lanterne, som har 3D trykt plast parts forbundet med elastikker (ikke vist) for den tilknyttede muskulatur 16. (B, C) ​​Den Aristoteles 'lanterne tjent som en biologisk inspiration til en biopsi mejetærsker 13. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Fire trin i bioinspiration proces. (Med uret fra venstre) Den bioinspiration begynder med at lære af naturen gennem observation af den lyserøde søpindsvin og Aristoteles 'lanterne. (Øverst) Analyse af søpindsvin og Aristoteles 'lanterne struktur fra μ-CT scanninger (til venstre). (Højre) Samlede resultater anvendes til at generere en bioinspirerede design prototype. (Nederst) Engineering analysemetoder blev anvendt til at undersøge biologiske phenOmena og bioinspirerede design 17,18. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Micro-CT analyse af Aristoteles 'lanterne struktur. (A) Side visning af vertikale strukturer, der hjælper til at støtte tænderne. (B) søpindsvin tænder stable oven på hinanden og udviser femdobbelt symmetri. (C) distale spids dele er fjernet for at vise de i længderetningen fastgjort køl strukturer for alle fem tænder. (D) En individuel tand og kølen (blå) med tilsvarende pyramide (gul) er vist og også indiceret (C). Venligst klikher for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Scanning elektronmikroskopi (SEM) analyse af søpindsvin tand mikrostruktur. (A) SEM mikrografi af et poleret tand tværsnit med svag sten stribe region og kølen (nederst) angivet. (B, C) ​​tilbagekastet elektron SEM mikrografier af de lilla og orange kasser fra (A) viser buet plade og runde fibre calcit primære elementer beliggende over en tættere Mg-beriget polykrystallinske matrix (mørkere grå). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur6. Samlet 3D trykt bioinspirerede Aristoteles 'lanterne dele. (A) E-låseringe og link stænger bruges til at fastgøre 3D trykt tand dele på tre fælles holdninger. (B) Samlet bioinspirerede Aristoteles 'lanterne med en tand fjernet. (C) Udsigt af kølen til individuelle tænder og de ​​skiftende fælles holdninger, når lanternen er delvist (til venstre) og fuldt åben (til højre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. bioinspirerede Aristoteles 'lanterne design og brugen på stranden. (A, B) Computer Aided Design billeder af bioinspirerede Aristoteles' lanterne, mens lukket og helt åben, hhv. (C) 3D trykt bioinspirerede Aristoteles 'lanterne indsamlet forskellige typer af sandet på stranden. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. bioinspirerede søpindsvin tandbelastning analyse test. (A, B) Finite element analyse viser den ikke-keeled (A) versus keeled (B) tand, når kraft påføres på tanden kanter. Den keeled tand design oplevet ~ 16% mindre stress på grund af tilsætning af kølen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Søpindsvin bruger Aristoteles 'lanterne (figur 1A) for en række forskellige funktioner (fodring, kedeligt, drejelige, etc.). Den fossile optegnelser viser, at lygten har udviklet sig i form og funktion fra den mest primitive cidaroid type til den camarodont type moderne søpindsvin 14. Cidaroid lanterner har i længderetningen rillet tænder (figur 1B, øverst) og ikke-separeret muskel fastgørelse til sin pyramidestruktur. Dette begrænser deres op og ned bevægelse og frarøver dem af den større skrabning strøm genereret af sideværts bevægelse, som er observeret i de mere moderne camarodont lanterner (figur 1B, nederst). Biologer har spekuleret på, at keeled tand (figur 1C, D) udviklet sig i camarodonts at styrke tand under de stærke trækkræfter genereret ved at skrabe hårde substrater 18,20,23.

Den bioinspirerede design-protokollen i dette arbejde kombineretbiologi, biologiske materialer videnskab, bioinspirerede design og bioexploration (figur 3) at udvikle en bioinspirerede enhed med en bestemt funktion i prøvetagning sediment. Den μ-CT-scanning af Aristoteles 'lanterne (figur 4) blev importeret som en STL fil kun til reference, da den endelige sampler design ikke efterligne den komplekse muskel vedhæftet fil i den naturlige struktur. I stedet bioinspirerede design ansat en enklere åbning og lukning mekanisme med dele, der kan fremstilles let ved en 3D-printer til montering i Aristoteles 'lanterne sampler. Samlet set brugte vi en cirkulær tilgang til bioinspirerede design siden bioexploration skridt tilladt for nye konklusioner fra den naturlige biologi. Potentielle ændringer af den bioinspirerede design kan løse forskellige applikationer udover prøveudtagning sediment. En begrænsning af denne protokol er, at det er fokuseret på en specifik anvendelse af den bioinspirerede proces for en enhed baseretpå Aristoteles 'lanterne. Imidlertid kan protokollen beskrevet her anvendes til analysen, udvikling og senere fremstilling af andre bioinspirerede motiver baseret på biologiske prøver.

Den primære anvendelse for denne til samling bioinspirerede Aristoteles 'lanterne sampler (figur 6) var til indsamling løs og komprimeret sand (figur 7). Fremadrettet NASA har en plan for at bringe tilbage Mars prøver til Jorden ved hjælp af en stikprøve-afkast rover efter en række missioner i mange år 29. En prøve-afkast rover udstyret med en bioinspirerede Aristoteles 'lanterne sampler kan være til gavn for fremtidige missioner. En mindre sampler, der ligner størrelsen af ​​en naturlig Aristoteles 'lanterne kan også være nyttige til andre anvendelser. Den anisotropi af hårdhed i naturlige urchin tænder, mens interessant i sin egen ret, blev ikke indarbejdet i denne bioinspirerede design.

Bioexploration af keeled versus ikke-keeled tænder bekræftet vigtige strukturelle formål med kølen i naturlige søpindsvin (figur 8). Den bioexploration resultat giver data, som hjælper med at forklare, hvorfor moderne søpindsvin udviklet keel strukturer. Vi anerkender, at Porter 17,18 var den første til at foreslå bioexploration trin anvendt i dette arbejde, som var afgørende for hjælp engineering analysemetoder til at kvantificere den mekaniske fordel af kølen struktur i søpindsvin tand. Fremtidig bioinspirerede design, der forbinder naturlig observation, biologiske materialer videnskab, bioinspirerede design og bioexploration kan være gavnligt for at indarbejde en dybere forankret fortrolighed med naturlige design principper.

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