En protokoll for Bioinspired Design: En Ground Sampler Basert 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

Innen biologi, biologiske materialer vitenskap, biomaterialer, bioteknologi og biokjemi ansette de premiere vitenskapelige teknikker og sinn i et forsøk på å gi en dypere forståelse av den utrolige naturen. Denne forskningen har forklart mange av de mest fantastiske biologiske strukturer og organismer; fra den indre seighet av menneskelig bein 1,2 til det store nebbet av Toucan tre. Imidlertid er mye av denne kunnskapen er vanskelig å anvende på en måte som kan tilveiebringe en fordel for samfunnet. Som et resultat av den tangentielle felt av bioinspiration benytter erfaringene fra naturen til moderne materialer for å løse felles problemer. Eksempler er superhydrophobic overflater inspirert av lotus blader 4-6, selvklebende flater inspirert av beina på gekkoer og insekter 7,8, tøffe keramikk inspirert av Nacre av abalone 9-11 og biopsihogst inspirert av munnstykket på kråkebolle, også vetn som den Aristoteles lykt 12,13.

Kråkeboller er virvelløse dyr dekket med pigger som habitat oftest består av steinete senger på havbunnen. Legemet (kalt en test) i de største bolle artene kan være mer enn 18 cm i diameter; test størrelse i rosa kråkeboller (Strongylocentrotus fragilis) undersøkt i denne studien kan vokse til 10 cm diameter. Den Aristotelesplassen lykt er sammensatt av fem predominately kalsiumkarbonat tenner som støttes av pyramide strukturer bestående av mineralisert vev og ordnet i en kuppel-lignende formasjon som omslutter alle bortsett fra de fjerntliggende slipe tuppene av tennene (figur 1A).

Muskelen strukturen i kjevene er i stand til effektiv tygging og skraping selv mot harde havet steiner og koraller. Når kjevene åpne, tennene stikker ut utover og når kjevene nær, tennene trekkes innover i en enkelt jevn bevegelse. Sammenligning mellom primitive (over) og moderne (nedenfor) kråkeboller tann tverrsnitt (figur 1B) indikerer at en kjøl tann utviklet seg til å styrke tannen ved sliping mot harde underlag. Hver enkelt tann har en svakt konveks krumning og et T-formet morfologi i tverrplanet (vinkelrett på vekst retningen) på grunn av den langsgående kjølen festet (figur 1C, D).

Bioinspiration begynner med observasjon av interessante naturfenomener, som for eksempel effektiv tygge bevegelse av Aristoteles 'lykt i kråkeboller. Denne naturlige strukturen i utgangspunktet fengslet Aristoteles fordi det minnet ham om et horn lykt med rutene av horn utelatt. Mer enn to årtusener senere, Scarpa ble fascinert av kompleksiteten i Aristoteles 'lanterne at han og senere Trogu etterlignet den naturlige tygge bevegelse ved hjelp av bare papir og gummistrikk (Figur 2A) 15,16. Tilsvarende Jelinek ble bioinspired av chugger bevegelse av Aristoteles 'lykt og utviklet en bedre biopsi slåmaskin som trygt kunne isolere tumorous vev uten å spre kreftceller (figur 2B, C) ​​12,13. I dette tilfelle ble bioinspired utforming utnyttes til å lage en biomedisinsk anordning som passer inn i et spesifikt behov for en ønsket anvendelse.

Utformingen Protokollen er beskrevet her gjelder et sediment sampler bioinspired av kråkeboller. Gjennom biologisk materialvitenskap, er den naturlige strukturen i Aristoteles 'lanterne karakterisert. Bioinspired utforming identifiserer potensielle bruksområder der de naturlige mekanismer kan forbedres gjennom bruk av moderne materialer og fabrikasjon teknikker. Den endelige utformingen er re-undersøkt gjennom prismet av bioexploration å forstå hvordan den naturlige tann struktur utviklet seg (Figur 3). Den siste bioexploration trinnet, foreslått av Porter 17,18, bruker ingeniør analysemetoder til eXplore og forklare biologiske fenomener. Alle de viktige trinnene i bioinspiration prosessen er presentert som et eksempel for å utnytte teknologien, forhåndsgodkjent av natur, som kan brukes for å løse moderne problemer. Vår protokollen, motivert av tidligere bioinspiration prosedyrer som er presentert for konkrete søknader fra Arzt 7, er målrettet for biologer, ingeniører og andre som er inspirert av naturen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Biologisk materialteknologi

  1. Bruk personlig verneutstyr (dvs. hansker, vernebriller og frakk) og følg alle gjeldende sikkerhetsprosedyrer for bruk dissekere verktøy.
  2. Skyll av pinsett og skalpell med destillert vann til bruk for disseksjon.
  3. Tine en frossen rosa kråkebolle ved RT i 1 time. Plasser et tint prøven i et glassfat med tilstrekkelig plass til å være i stand til å manøvrere bolle og skjærende verktøy. Snu bollen opp ned slik at tennene tips forsiden opp.
    1. Skjær bort bindevevet rundt omkretsen av Aristoteles 'lykt med skalpell og løft ut lykten. Skyll lykt med rennende destillert vann. Kast ubrukte bolle deler på en forsvarlig beholder avfallshåndtering.
    2. Snu Aristoteles 'lykt om igjen så tips av tennene med ansiktet ned. Finn plumula slutten av hver tann (motsatt spissen) vender opp og bruke tang til å bry segskyv ut enkelte tenner fra lykten.
  4. Forbered epoxy til potten tennene. Vei 5 g av harpiks og legge til 1,15 g herder (f.eks 100 deler harpiks til 23 deler herder etter vekt) i et grunt engangs plastbrett. Bland innholdet sammen sakte uten at det dannes bobler.
    Merk: Ikke la left blandet epoxy i en beholder med tilstrekkelig eksponering til atmosfæren. Herdeprosessen er eksoterm og kan antennes nærliggende brennbare materialer. Hold noen left blandet epoxy i et godt ventilert avtrekk borte fra brennbare gjenstander.
    1. Smør en 2,5 dram plastrør (22 mm indre diameter, 39 mm lengde) med vaselin påføres med en finger og tørk av overflødig med en vev. Fyll opp røret halvveis med blandet epoxy.
    2. Bruk pinsett til å plukke opp en tann og nøye senke den i epoxy med den buede konkave siden opp. La epoksy herding ved RT i 24 timer.
      Merk: Forhindre tann tips fra drivende å røreplast rørveggen som epoxy botemidler Fordi dette vil gjøre polering spissen vanskeligere.
  5. Legg plastrøret med epoksy i en skrustikke. Stram skrustikke sakte til en sprekk er laget i plastrøret. Skrelle bort gjenværende plast fra den epoksy overflaten.
    1. Bruke en snitte så å klippe epoksy rundt tannen ned til en mindre blokk (1 cm 3).
  6. Forbered et rent område for polering og sette opp en flat arbeidsstasjonen med en hard plast bord. Fyll en skvett flaske med destillert vann.
    1. Begynne med laveste sandpapir tilgjengelig (for eksempel 120) og presse en liten mengde av vann fra vaskeflaske på sandpapir. Med et lett trykk, gni prøven i en frem og tilbake retning (for eksempel, venstre-høyre) i 5 min.
    2. Vask av overflaten av prøven over en vask og tørk med en partikkel-fri vev. Fjern eventuelle leftover sandpapir korning med trykkluft for 15 sek.
    3. Bruk gradvis høyere sandpapir (for eksempel 600 og 2400) for å gjenta protokollen trinn 1.6.1 og 1.6.2. Med et lett trykk, gni prøven i en frem og tilbake retning vinkelrett på den forrige polsk trinn (f.eks, opp-ned, venstre-høyre).
      Merk: Bruk en lys mikroskop på 20X forstørrelse for å se vinkelrette riper krysser hvert sandkorn nivå (for eksempel 120, 600, 2400). Flytte til neste høyere sandpapir når riper fra forrige grus nivå forsvinner.
    4. Forbered en skvett flaske med 3-mikrometer diamant polering suspensjon i et 1: 1 destillert vann. Bruk en polsk klut for diamantsuspensjoner å gjenta protokoll trinn 1.6.1 og 1.6.2.
    5. Forbered en skvett flaske med 0,5-mikrometer alumina polering suspensjon i et 1: 1 destillert vann. Bruk en microcloth polering overflate for å gjenta protokoll trinn 1.6.1 og 1.6.2.
      Merk: Fin riper fra protokollen trinn 1.6.4 og 1.6.5 vil ikke være visible på 20X forstørrelse. For disse protokoll trinn, polsk i 5 minutter i en frem og tilbake bevegelse for å fjerne alle tidligere riper.
    6. Rens den polerte overflate med destillert vann og anvendelse partikkel-fri vev med komprimert luft for å tørke grundig. Pakk med partikkelfritt vev for å opprettholde speil polert finish.
      Merk: Tørk alle polering siden ned på store partikkelfritt vev. Oppbevar i en plasthylse for å unngå støvpartikler bosatte seg på overflaten mellom polerings ganger.
  7. Karakterkråkebollen tann mikro bruker scanning elektronmikroskopi (SEM). Bruke en frese belegger å frese iridium med en avsetning strøm på 85 mA i 10 sekunder på den polerte tannoverflate for en beleggtykkelse på ~ 20 nm.
    1. Skaff Micrograph bilder på 250X - 4,000X forstørrelse ved hjelp av en SEM.
      Merk: Bruk 5 kV i scanning elektron (SE) modus og 15 kV i tilbakespredte elektron (BSE) modus. Bruk BSE-modus for å identifisere kalsitt liten løgners ispedd Mg-beriket polykrystallinsk matrise.
  8. Utfør mikro-computertomografi (μ-CT) skanninger av en hel rosa kråkebolle og en fersk dissekert Aristoteles lykt. Posisjonere hvert tint prøve inne i den lukkede kammerbeholder med en fuktet vev for å gi et fuktig miljø under skanning.
    1. Skann hele bollen og Aristoteles 'lantern av μ-CT med en isotrop voxel størrelse på 36,00 m og 9,06 mikrometer, henholdsvis. Påfør et elektrisk potensial på 100 kVp og 70 kVp med strøm på 100 mA og 141 mA, for hele bollen og Aristoteles lykt, henholdsvis ved hjelp av en 1,0 mm aluminiumsfilter for begge.
    2. Påfør en bjelke hardere korreksjon algoritme under bilde gjenoppbygging å ta høyde for bjelke herding gjenstander som følge av μ-CT røntgen kilde emitting røntgenbilder av flere energier ved hjelp av produsentens protokoll.
  9. Bruk bildebehandlingsprogrammer å avgrense image segmentering og få en trekant mesh modell for Aristoteles lykt struktur.
    1. Load og forhåndsvisning Aristoteles lykt bildedata fra μ-CT scan. Match voxel størrelse (9,06 mikrometer) til verdiene fra mikro-CT scan.
    2. Bruk en volumgjengivelse funksjon for å visualisere Aristoteles 'lykt i 3D-rom. Juster 2D ortogonale skive med markeringsramme modulen og justere terskelverdien / farge med Volume Rendering modulen.
    3. Gjør maske segmenter for regionen av interesse (f.eks kråkebolle tann) ved hjelp av segmentering editor. Velg XY, YZ, og XZ fly og 3D isometrisk visning. Bruk tryllestaven (svart pil) for å skille mellom enkle strukturer (tann vs. pyramiden) i Aristoteles 'lykt.
    4. Rekonstruere modellen overflaten fra de utpakkede maske segmenter. Velg Surface Generation modulen og bruke. Fjern merket for volumgjengivelse Innstillinger for å ha den synlige overflaten forsvinner. TilsettSe overflate modul for å vise overflaten resultat.
    5. Forenkle modelloverflaten ved å redusere antall ansikter til <18.000.
    6. Rediger individuelle trekant maske på modelloverflaten etter behov. Lagre modellen som en stereolitografi (STL) fil for eksport til bruk med PC-assistert konstruksjon (DAK) modellering programvare.

2. Bioinspired Design

  1. Bruk Aristoteles 'lykt fra mikro-CT scan som en referanse for å lage en bioinspired design med DAK modellering programvare.
    Merk: bioinspired design har fem buede tenner med høyde 6 cm og diameter 8 cm for lukkede lykt. Det er skalert opp ~ 5x fra størrelsen på den naturlige Aristoteles lykt.
  2. Redd STL filen deler til en flash-stasjon og laste opp filene til en smeltet deponering modellering (FDM) 3D-printer.
    1. Load akrylnitril-butadien-styren (ABS) plast og støtte plastmateriale patroner i de riktige sporene på 3D printer.
    2. Sett modellering base på Z-plattformen og juster tappene med sporene på metall skuffen.
    3. Åpne hvert av STL-filen deler og følge trinnene for skjerm å skrive ut alle lanterne deler samtidig.
      Merk: Lantern deler må passe innenfor bygningsskallet (25 x 25 x 30 cm 3) for 3D-skriveren. Alle fem tenner er anordnet på modellering basen og trykket samtidig med tannen spissen vendt oppover. Den bygger satsen er 16 cm 3 per time og den totale byggetiden er ca 8 timer.
    4. Slipp modellering base fanene når alle fil deler er trykt og skyv bunnen ut av 3D-skriveren langs skuffskinnene.
    5. Bruk en metallspatel for å lirke alle deler av basen, og en metall fil å slites ned noen ekstra plast festet til delene.
    6. Plasser de trykte delene til en oppvarmet basen bad før støtte plastmateriale oppløses.
  3. Fest hver tann til en felles arm med en link stang og to E-holderinger på hver side.
    Merk: Se Figur 6 for montering av bioinspired Aristoteles lykt.

3. Bioexploration

  1. Bruk CAD-filen for bioinspired tann å gjøre en endelig element modellering (FEM) stress analyse test.
    1. Åpne filen (xx.sldprt) for å gjøre ytterligere teknisk analyse. Over "Office Products" -kategorien, velg "Solidworks Simulation" -knappen.
    2. Over "Simulering" -kategorien, velg "Study Advisor" -knappen og deretter rullegardin alternativet "Ny studie".
    3. Velg type simulering test skal kjøres ved å velge "Static".
    4. På Statisk Test listen, høyreklikker du på "Inventar" og velg "Fixed geometri".
    5. Klikk på de indre ansikter å legge inventar til monteringshullene der pinnene vil gå.
    6. På Statisk Test listen, høyreklikker du på "ytre belastninger" og select "Force".
    7. Klikk på tann sliping tips ansikter å bruke 45 N kraft til kantene.
    8. På Statisk Test listen, høyreklikker du på "ytre belastninger" og velg "Gravity".
    9. Indikerer "Top Plane" for tyngdekraften påført vinkelrett på planet.
    10. På Statisk Test listen, høyreklikker du på "Mesh" og velg "Create Mesh".
    11. Flytt målestokken for "Mesh intensitet" helt til høyre for "Fine".
    12. På Statisk Test listen, høyreklikker du på "Static" og velg "Kjør" for å kjøre testen.
      Merk: Den fargede skala bar for områder med høyest belastning og "Yield Strength".
  2. Sammenligne stress analyse testresultater for bioinspired tann med og uten kjøl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bioinspired utformingen av Aristoteles 'lanterne prøvetakeren avhenger sterkt på kvaliteten på karakterisering metoder som brukes. Ikke-invasive teknikker som μ-CT er nyttig for å analysere hele lykt og individuelle tennene til å gjelde applikasjonsspesifikke forbedringer for bioinspired design (figur 4). I mellomtiden kan tannen mikro frem på sekundærelektron og tilbakespredte elektronmikroskopibilder av den polerte tverrsnitt av en individuell tann (figur 5). Jo mørkere grå regionen er det vanskeligere stein delen av tannen sliping spissen og består av opptil 40 mol% magnesium atomer som erstatter kalsium atomer.

Analyse av tannen mikrostruktur med BSE-SEM (figur 5) bekreftet den strukturelle viktigheten av Mg-anrikede stein del i tannen slipespissen. Plate og fiber primary elementer (kalsitt monokrystaller, lysere grå i figur 5C) er koblet sammen ved hjelp av en matrise av sekundærelementer (kalsitt og magnesiumkarbonat polykrystaller, mørkere grå i figur 5C), som utgjør den hardeste stein område av tannen slipespissen.

Den bioinspired lykt er designet med CAD-programvare, 3D trykt og montert (figur 6) for innsamling av sand på stranden (figur 7). Stress analysetester ble benyttet for å beregne von Mises-spenning av to tann utførelser, en uten kjølen (figur 8A) og den andre med kjølen (figur 8B). En solid netting bestående av tetra ble anvendt i løpet av geometrien av tannen. Kraften verdi valgt (45 N) matchet målinger fra tester på stranden for å trenge inn i 1 cm dypt inn hard sand med lykt tenner vinkelrett på overflaten.

(7A, B). Masseøkningen er liten sammenlignet med den reduksjon i spenning at kjølen gir. Nedgangen i stress viser effektiviteten av denne bioinspired design for konsentrasjon av stress i kjøl regionen.

Figur 1
Figur 1. Kråkebolle Aristoteles lykt og tann morfologi. (A) Nærbilde av ventral visning av en kråkebolle (til venstre) og Aristoteles lykt (høyre) 13. (B) Tverrsnitt avrillet tann av en primitiv cidaroid bolle (øverst) og kjøl tann av en moderne camarodont bolle (nederst) 14. (C) En isolert tann sett fra siden slik at spissen (nederst) og indikerte kjølen (venstre side) 20. (D) SEM-bilde av en polert tann tverrsnitt med den indikerte kjøl (nederst) 20. Bilder tilpasset fra angitte referanser for (A), (B), (C) og (D). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Bioinspired design basert på Aristoteles lykt. (A) Isometrisk visning av en tegning av en bionic modell av Aristoteles 'lanterne, som har 3D trykt plast parts forbundet med gummistrikk (ikke vist) for vedlagte muskulaturen 16. (B, C) ​​Den Aristoteles lykt fungert som et biologisk inspirasjon for en biopsi tresker 13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Fire trinnene i bioinspiration prosessen. (Med klokken fra venstre) Den bioinspiration Prosessen begynner med å lære av naturen gjennom observasjon av rosa kråkeboller og Aristoteles lykt. (Øverst) Analyse av kråkeboller og Aristoteles lykt struktur fra μ-CT (til venstre). (Høyre) samlet Resultatene brukes til å generere en bioinspired utforming prototype. (Nederst) teknisk analyse metoder ble brukt for å utforske biologiske PhenOmena og bioinspired utformingen 17,18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Micro-computertomografi analyse av Aristoteles 'lykt struktur. (A) Sidevisning av pyramiden strukturer som bidrar til å støtte tennene. (B) Sea Urchin tenner stables oppå hverandre og viser fem ganger symmetri. (C) distale spissen deler er fjernet for å vise de langs vedlagte kjølkonstruksjoner for alle fem tenner. (D) En individuell tann og kjølen (blått) med tilhørende pyramide (gul) er vist, og også angitt i (C). Klikkher for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Scanning elektronmikroskopi (SEM) analyse av kråkebollen tann mikrostrukturen. (A) SEM-mikrofotografi av en polert tann tverrsnitt med svak stein stripe region og kjølen (nederst) angitt. (B, C) ​​tilbakespredte elektron SEM mikrografer av de lilla og oransje bokser fra (A) viser buet plate og runde fiber kalsitt viktigste elementene som ligger ovenfor en tettere Mg-beriket polykrystallinsk grunn (mørkere grå). Klikk her for å se en større versjon av denne figur.

Figur 6
Figur6. Montert 3D trykt bioinspired Aristoteles lykt deler. (A) E-beholder ringer og stagene brukes til å feste 3D trykt tann deler på tre felles posisjoner. (B) montert bioinspired Aristoteles lykt med en tann fjernes. (C) Utsikt over kjølen for individuelle tennene og endrede felles posisjoner når lykten er delvis (til venstre) og helt åpen (høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Bioinspired Aristoteles lykt design og bruk på stranden. (A, B) Computer aided design bilder av bioinspired Aristoteles 'lykt mens lukket og fullstendig åpen, henholdsvis. (C) 3D trykt bioinspired Aristoteles lykt samlet ulike typer sand på stranden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Bioinspired kråkeboller tann spenningsanalyse test. (A, B) Elementanalyse viser den ikke-kjøl (A) som funksjon av kjøl (B) tann når kraft utøves ved tannkanter. Den keeled tanndesign opplevd ~ 16% mindre stress på grunn av tilsetning av kjølen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kråkeboller bruke Aristoteles 'lykt (figur 1A) for en rekke funksjoner (fôring, kjedelig, dreibare, etc.). Fossilene viser at lykten har utviklet seg i form og funksjon fra den mest primitive cidaroid typen til den camarodont type moderne kråkeboller 14. Cidaroid lanterner har langsgående riller tenner (figur 1B, øverst) og ikke-separert muskel vedlegg til sin pyramide struktur. Dette begrenser deres opp og ned bevegelse og frarøver dem større skraping kraft generert av sideveis bevegelse, som er observert i de mer moderne camarodont lanterner (figur 1B, nederst). Biologer har spekulert i at kjøl tann (figur 1C, D) utviklet seg i camarodonts å forsterke tann under de sterke strekkreftene genereres ved å skrape harde underlag 18,20,23.

Den bioinspired utformingen protokollen i dette arbeidet sammenbiologi, biologiske materialer vitenskap, bioinspired design og bioexploration (figur 3) for å utvikle en bioinspired enhet med en bestemt funksjon for prøvetaking sediment. Den μ-CT av Aristoteles 'lykt (figur 4) ble importert som en STL-fil for referanse bare siden den endelige sampler utforming ikke etterligne den komplekse muskel vedlegget i den naturlige strukturen. I stedet bioinspired utformingen ansatt en enklere åpning og lukkemekanisme med deler som kan produseres lett av en 3D-printer for montering inn i Aristoteles 'lanterne sampler. Totalt brukte vi en sirkulær tilnærming for bioinspired design siden den bioexploration skritt tillatt for nye konklusjoner fra den naturlige biologi. Potensielle modifikasjoner av bioinspired design kan håndtere forskjellige bruksområder i tillegg prøvetaking sediment. En begrensning av denne protokollen er at det er fokusert på en spesifikk anvendelse av den bioinspired fremgangsmåte for en anordning basertpå Aristoteles lykt. Imidlertid kan den protokoll som er beskrevet her bli brukt til analyse, utvikling og endelig fremstilling av andre bioinspired design basert på biologiske prøver.

Den primære program for denne montert bioinspired Aristoteles lykt sampler (figur 6) var for å samle løs og komprimert sand (figur 7). Se fremover, har NASA en plan for å bringe tilbake Martian prøver til jorden ved hjelp av en sample-retur rover etter en rekke oppdrag over mange år 29. En prøve-retur rover utstyrt med en bioinspired Aristoteles lykt sampler kan være gunstig for fremtidige oppdrag. En mindre sampler som ligner på størrelse med en naturlig Aristotelesplassen lykt kan også være nyttig for andre anvendelser. Den anisotropi av hardhet i naturlige bolle tenner, mens interessant i seg selv, ikke ble innlemmet i denne bioinspired design.

Bioexploration av keeled versus ikke-kjøl tenner bekreftet den viktige strukturelle formålet med kjølen i naturlige kråkeboller (Figur 8). Den bioexploration Resultatet gir data som bidrar til å forklare hvorfor moderne kråkeboller utviklet kjøl strukturer. Vi erkjenner at Porter 17,18 var den første til å foreslå bioexploration trinnet brukes i dette arbeidet, som var avgjørende for å bruke teknisk analyse metoder for å kvantifisere mekanisk fordel av kjølen strukturen i kråkebolle tann. Future bioinspired design som kobler naturlig observasjon, biologiske materialer vitenskap, bioinspired design og bioexploration kan være gunstig for å innlemme en dypere forankret fortrolighet med naturlig design prinsipper.

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