Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur 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
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Bioengineering

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Frank, M. B., Naleway, S. E., Wirth, T. S., Jung, J. Y., Cheung, C. L., Loera, F. B., et al. A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws. J. Vis. Exp. (110), e53554, doi:10.3791/53554 (2016).

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Abstract

Introduction

Les domaines de la biologie, du matériel biologique science, biomatériaux, bioingénierie et biochimie emploient les techniques et les esprits scientifiques première dans une tentative de fournir une compréhension plus profonde du monde naturel incroyable. Cette recherche a expliqué de nombreuses structures et organismes biologiques les plus étonnants; de la ténacité intrinsèque de l' os humain 1,2 à grand bec du toucan 3. Cependant, une grande partie de cette connaissance est difficile à utiliser d'une manière qui peut fournir un avantage pour la société. En conséquence, le champ tangentielle de bioinspiration emploie les enseignements tirés de la nature des matériaux modernes afin de résoudre des problèmes communs. Des exemples comprennent des surfaces superhydrophobes inspirées par des feuilles de lotus 4-6, les surfaces adhésives inspirées par les pieds des geckos et des insectes 7,8, céramiques difficiles inspirées par la nacre de l' ormeau 9-11 et les pêcheurs de biopsie inspirés par le porte - parole de l'oursin, également connaîtren que la lanterne du Aristote 12,13.

Les oursins sont des animaux invertébrés couverts d'épines dont l'habitat se compose le plus souvent des lits rocheux sur le fond de l'océan. Le corps (appelé un test) dans les plus grandes espèces d'oursins peut être plus de 18 cm de diamètre; taille de test rose oursins (Strongylocentrotus fragilis) examiné dans cette étude peut atteindre 10 cm de diamètre. La lanterne de l'Aristote est composé de cinq dents de carbonate de calcium à prédominance pris en charge par des structures pyramidales composées de tissus minéralisés et disposés dans une formation en forme de dôme qui entourent tous , mais les conseils de broyage distales des dents (figure 1A).

La structure musculaire des mâchoires est capable de mâcher efficace et raclage même contre les rochers et les coraux de l'océan dur. Lorsque les mâchoires ouvertes, les dents font saillie vers l'extérieur et lorsque les mâchoires se referment, les dents se rétractent vers l'intérieur en un seul mouvement fluide. Comparaison entre primitive (ci - dessus) et (ci - dessous) oursin dents sections transversales modernes (figure 1B) indique qu'une dent carénées a évolué pour renforcer la dent lors du meulage contre des substrats durs. Chaque dent présente une courbure légèrement convexe et une morphologie dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de croissance) en forme de T en raison de la quille attaché longitudinalement (figure 1C, D).

Bioinspiration commence par l'observation des phénomènes naturels intéressants, tels que le mouvement de mastication efficace de la lanterne du Aristote dans les oursins. Cette structure naturelle d'abord captivé Aristote parce qu'elle lui rappelait une lanterne de corne avec les vitres de corne laissés. Plus de deux millénaires plus tard, Scarpa a été fasciné par la complexité de la lanterne de l'Aristote que lui et plus tard Trogu imitait le mouvement de mastication naturelle en utilisant uniquement du papier et des bandes de caoutchouc (Figure 2A) 15,16. De même, Jelinek a été bioinspirés par le ctaillants motion de la lanterne du Aristote et développé une meilleure récolte de biopsie qui pourrait isoler les tissus tumoraux en toute sécurité sans propagation des cellules cancéreuses (Figure 2B, C) ​​12,13. Dans ce cas, la conception bioinspirés a été utilisé pour réaliser un dispositif biomédical qui correspondent à un besoin spécifique pour une application souhaitée.

Le protocole de conception décrite ici est valable pour un échantillonneur de sédiments bioinspirés par les oursins. Grâce à des matériaux biologiques science, la structure naturelle de la lanterne de l'Aristote se caractérise. conception bioinspirée identifie les applications potentielles où les mécanismes naturels peuvent être améliorés grâce à l'utilisation de matériaux modernes et des techniques de fabrication. La conception finale est ré-examinée à travers le prisme de bioexploration pour comprendre comment la structure de la dent naturelle a évolué (Figure 3). La dernière étape de bioexploration, proposé par Porter 17,18, utilise des méthodes d'analyse de l' ingénierie à l' explore et expliquer les phénomènes biologiques. Toutes les étapes importantes du processus de bioinspiration sont présentés à titre d'exemple pour exploiter la technologie, approuvés au préalable par la nature, qui peut être utilisé pour résoudre des problèmes modernes. Notre protocole, motivé par des procédures de bioinspiration précédentes présentées pour des applications spécifiques par Arzt 7, est ciblé pour des biologistes, des ingénieurs et toute autre personne qui est inspiré par la nature.

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Protocol

1. Biological Materials Science

  1. Porter un équipement de protection individuelle (gants, lunettes de protection et une blouse de laboratoire) et de suivre toutes les procédures de sécurité applicables à l' utilisation des outils de dissection.
  2. Rincez la pince et scalpel avec de l'eau distillée à utiliser pour la dissection.
  3. Décongeler un rose oursin de mer congelés à température ambiante pendant 1 h. Placez un spécimen décongelés dans un plat en verre avec un espace suffisant pour pouvoir manœuvrer les outils d'oursins et de coupe. Tournez l'oursin envers pour que les pointes de dents face vers le haut.
    1. Coupez le tissu conjonctif autour du périmètre de la lanterne de l'Aristote avec le scalpel et soulevez délicatement la lanterne. Rincer la lanterne hors de l'eau distillée courante. Jeter les pièces d'oursins inutilisés dans un récipient approprié d'élimination des déchets.
    2. Tournez la lanterne du Aristote encore de sorte que les pointes des dents face vers le bas. Repérez la fin de plumula de chaque dent (opposée à la pointe) vers le haut et utiliser les pinces pour les soinsentièrement glisser les dents individuelles de la lanterne.
  4. Préparer époxy pour pot les dents. Pèse 5 g de résine et ajouter 1,15 g de durcisseur (par exemple, 100 parties de résine pour 23 parties de durcisseur en poids) dans un plateau en plastique jetable peu profond. Mélanger le contenu ensemble lentement sans formation de bulles.
    Remarque: Ne laissez pas les restes époxy mélangé dans un récipient avec une exposition insuffisante à l'atmosphère. Le processus de durcissement est exothermique et peut enflammer les produits à proximité. Gardez tout époxy restant mélangé dans une hotte bien aéré, loin des objets inflammables.
    1. Graisser un tube de 2,5 dram en plastique (22 mm de diamètre intérieur, 39 mm de longueur) en utilisant de la vaseline appliquée avec un doigt et essuyer tout excès avec un tissu. Remplissez à moitié le tube avec le mélange époxy.
    2. Utilisez la pince pour ramasser une dent et soigneusement plonger dans l'époxy avec le côté courbe concave vers le haut. Laissez sécher époxy à la température ambiante pendant 24 heures.
      Remarque: Empêcher la pointe de la dent de dériver au toucherla paroi du tube en plastique comme les époxy cures depuis cela va rendre le polissage de la pointe plus difficile.
  5. Placer le tube en matière plastique époxy durcie dans un étau. Serrer l'étau lentement jusqu'à ce qu'une fente est réalisée dans le tube en matière plastique. Décollez plastique résiduel de la surface époxy.
    1. Utilisez un tronçonnage scie pour couper l'époxy autour de la dent vers le bas pour un bloc plus petit (1 cm 3).
  6. Préparer un endroit propre pour polir et mettre en place une station de travail à plat avec une planche en plastique dur. Remplir une bouteille d'injection avec de l'eau distillée.
    1. Commencez par le plus bas du papier de grain disponible (par exemple, 120) et presser une petite quantité d'eau de la bouteille de lavage sur le papier de verre. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans une direction arrière et avant (par exemple, de gauche à droite) pendant 5 min.
    2. Laver la surface de l'échantillon sur un évier et essuyer avec un tissu exempt de particules. Retirez tout grain de papier de verre les restes avec de l'air comprimé pendant 15 sec.
    3. Utilisez progressivement le niveau du papier de grain (par exemple, 600 et 2400) pour répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans un avant et en arrière direction perpendiculaire à l'étape de polissage précédente (par exemple, de haut en bas, de gauche à droite).
      Remarque: Utilisez un microscope optique à un grossissement de 20x pour voir des rayures perpendiculaires se croisent à chaque niveau de grain (par exemple, 120, 600, 2400). Déplacer vers le prochain papier de verre grain plus élevé lorsque des rayures à partir du niveau de grain précédente disparaissent.
    4. Préparer une bouteille d'injection avec 3 pm polissage du diamant en suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez un chiffon pour polir les suspensions diamantées à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
    5. Préparer une bouteille d'injection avec 0,5 um d'alumine de polissage suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez une surface microcloth de polissage à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
      Remarque: les marques fines rayures de protocole étapes 1.6.4 et 1.6.5 ne sera pas Visible à un grossissement de 20x. Pour ces étapes de protocole, de polissage pendant 5 min dans un va et vient pour enlever toutes les rayures précédentes.
    6. Nettoyer la surface polie avec un tissu dépourvu de particules d'eau et l'utilisation distillée avec de l'air comprimé pour sécher soigneusement. Enveloppez avec un tissu exempt de particules pour maintenir finition polie miroir.
      Remarque: sec toutes les surfaces de polissage face vers le bas sur les tissus grands sans particules. Conserver dans un manchon en plastique pour éviter les particules de poussière de décantation à la surface entre les temps de polissage.
  7. Caractériser la microscopie électronique à balayage oursin dent microstructure utilisant (SEM). Utiliser une machine à enduire par pulvérisation pour pulvériser de l'iridium avec un courant de dépôt de 85 mA pendant 10 secondes sur la surface polie de la dent pour une épaisseur de revêtement de ~ 20 nm.
    1. Obtenir des images micrographiques à 250X - grossissement 4,000X utilisant un SEM.
      Remarque: L'utilisation de 5 kV en mode à balayage électronique (SE) et 15 kV en mode électrons rétrodiffusés (BSE). Utilisez le mode ESB pour identifier calcite fibteurs intercalés avec matrice polycristalline Mg enrichi.
  8. Effectuer micro-tomodensitométrie (μ-TDM) d'un ensemble rose oursin et une lanterne d'Aristote fraîchement disséqués. Placez chaque échantillon décongelé à l'intérieur du conteneur de chambre fermée avec un tissu humide pour fournir un environnement humidifié lors de la numérisation.
    1. Numériser l'ensemble oursin et la lanterne du Aristote par μ-CT avec une taille de voxel isotrope de 36.00 pm et 9,06 pm, respectivement. Appliquer un potentiel électrique de 100 kV et 70 kV avec un courant de 100 mA et 141 mA, pour l'ensemble de l'oursin et la lanterne du Aristote, respectivement, en utilisant un filtre d'aluminium de 1,0 mm pour les deux.
    2. Appliquer un algorithme de correction de durcissement du faisceau lors de la reconstruction d'image pour tenir compte des faisceaux d'artefacts de durcissement qui résultent de la source de rayons X μ-CT émettant des rayons X d'énergies multiples en utilisant le protocole du fabricant.
  9. Utilisez un logiciel d'imagerie pour affiner image la segmentation et l'acquisition d'un modèle de maillage triangulaire pour la structure de la lanterne de l'Aristote.
    1. Charger et aperçu des données d'image lanterne d'Aristote de l'analyse μ-CT. Faites correspondre la taille de voxel (9.06 pm) pour les valeurs de l'analyse micro-CT.
    2. Utilisez une fonction de rendu de volume pour visualiser la lanterne de l'Aristote dans l'espace 3D. Réglez la tranche orthogonale 2D avec le module Boîte englobante et ajuster la valeur de seuil / couleur avec le module Volume Rendering.
    3. Faire segments de masque pour la région d'intérêt (par exemple, l' oursin dent) en utilisant l'éditeur de segmentation. Sélectionnez XY, YZ et plans XZ et la vue 3D isométrique. Utilisez la baguette magique (flèche noire) pour distinguer entre les structures simples (dents vs pyramide) dans la lanterne du Aristote.
    4. Reconstruire la surface du modèle à partir des segments de masque extraits. Sélectionnez le module de génération de surface et appliquer. Décochez la Volume Rendering Paramètres d'avoir disparu de la surface supérieure visible. Ajouter leSurface module View pour afficher le résultat de la surface.
    5. Simplifier la surface du modèle en réduisant le nombre de faces à <18.000.
    6. Modifier individuelle maillage triangulaire sur la surface du modèle selon les besoins. Enregistrez le modèle comme un stéréolithographie (STL) fichier pour l'exportation à utiliser avec le logiciel de conception (CAO) la modélisation assistée par ordinateur.

2. bioinspirée Conception

  1. Utilisez la lanterne de l'Aristote de l'analyse micro-CT comme une référence pour faire une conception bioinspirés avec le logiciel de modélisation CAO.
    Remarque: La conception bioinspirés a cinq dents incurvées avec une hauteur de 6 cm de diamètre et 8 cm pour la lanterne fermée. Il est entartré ~ 5x de la taille de la lanterne du naturel Aristote.
  2. Enregistrez le fichier STL parties à un lecteur flash et télécharger les fichiers à une modélisation par dépôt fondu (FDM) de l'imprimante 3D.
    1. styrène Charge acrylonitrile-butadiène (ABS) en plastique et le support plastique des cartouches de matériau dans les fentes appropriées de la 3D pIMPRIMANTE.
    2. Insérez la base de modélisation sur la plate-forme de Z et aligner les onglets avec des fentes sur le plateau métallique.
    3. Ouvrez chacune des parties de fichiers STL et suivez les étapes de l'écran d'affichage pour imprimer toutes les parties de la lanterne dans le même temps.
      Remarque: Les pièces de lanterne doivent tenir dans l'enveloppe du bâtiment (25 x 25 x 30 cm 3) pour l'imprimante 3D. Les cinq dents sont disposées sur la base de la modélisation et imprimés en même temps que la pointe de la dent vers le haut. Le taux de construction est de 16 cm 3 par heure et le temps de construction totale est d' environ 8 heures.
    4. Relâchez la base de modélisation à partir des onglets lorsque toutes les parties de fichiers sont imprimés et faites glisser la base de l'imprimante 3D le long des guides du bac.
    5. Utilisez une spatule en métal pour soulever toutes les parties au large de la base et une lime en métal pour porter vers le bas tout en plastique supplémentaire sur les pièces.
    6. Placer les pièces imprimées dans un bain de base chauffée jusqu'à dissolution du matériau support en plastique.
  3. Fixer chaque dent à un bras articulé avec un litige de nk et deux bagues de retenue E-part et d'autre.
    Remarque: Se référer à la figure 6 pour l' assemblage de la lanterne du bioinspirés Aristote.

3. Bioexploration

  1. Utilisez le fichier CAO pour la dent bioinspirés pour faire une modélisation par éléments finis (FEM) test d'analyse du stress.
    1. Ouvrez le fichier (xx.sldprt) à faire une analyse plus approfondie de l'ingénierie. Au-dessus de l'onglet "Fournitures de bureau", sélectionnez le bouton "SolidWorks Simulation".
    2. Au-dessus de l'onglet "Simulation", sélectionnez le bouton "conseiller aux études», puis l'option déroulante "Nouvelle étude".
    3. Sélectionnez le type de test de simulation pour être exécuté en choisissant "statique".
    4. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Calendrier" et sélectionnez "géométrie fixe".
    5. Cliquez sur les faces internes pour ajouter luminaires aux trous de montage où les broches iront.
    6. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et select "Force".
    7. Cliquez sur le grincement des dents pointe fait face à appliquer 45 N force sur les bords.
    8. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et sélectionnez "Gravity".
    9. Indiquez "Top Plane" pour la force de gravité appliquée perpendiculairement au plan.
    10. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Mesh" et sélectionnez "Créer Mesh".
    11. Déplacez la barre d'échelle pour "Densité Mesh" tout le chemin vers la droite pour "Fine".
    12. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "statique" et sélectionner "Exécuter" pour exécuter le test.
      Remarque: La barre d'échelle de couleur pour les zones de contrainte la plus élevée et le "rendement Force".
  2. Comparer les résultats des tests d'analyse de contraintes pour la dent bioinspirés avec et sans la quille.

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Representative Results

conception bioinspirée du dispositif lanterne d'échantillonnage de l'Aristote dépend fortement de la qualité des méthodes de caractérisation utilisées. Les techniques non-invasives comme μ-CT sont utiles pour l' analyse de l'ensemble de la lanterne et des dents individuelles à appliquer des améliorations spécifiques à l'application pour la conception bioinspirés (figure 4). Pendant ce temps, la microstructure de la dent peut être explorée par l' intermédiaire d' électrons secondaires et des micrographies électroniques back-épars de la section polie d'une dent individuelle (Figure 5). La région grise foncée est la partie la plus difficile de pierre de la pointe des dents de broyage et se compose de jusqu'à 40 mol% des atomes de magnésium qui remplacent les atomes de calcium.

L' analyse de la microstructure de la dent avec l' ESB-SEM (figure 5) a confirmé l'importance structurelle de la partie en pierre Mg enrichi dans la pointe des dents de meulage. Plate et de fibres primaéléments ry (de monocristaux de calcite, gris plus léger sur la figure 5C) sont reliés entre eux par une matrice d'éléments secondaires (calcite et polycristaux de carbonate de magnésium, plus sombre gris dans la figure 5C), qui constituent la région la plus en pierre de la pointe des dents de meulage.

La lanterne bioinspirés a été conçu avec un logiciel de CAO, 3D imprimé et assemblé (figure 6) pour la collecte de sable à la plage (figure 7). Tests d'analyse du stress ont été utilisés pour calculer la contrainte de von Mises de deux conceptions de dents, un sans la quille (figure 8A) et l'autre avec la quille (figure 8B). Une maille solide composée de tétraèdres a été utilisé sur la géométrie de la dent. La valeur de la force choisie (45 N) correspond mesures des tests à la plage de pénétrer 1 cm de profondeur dans le sable dur avec des dents lanterne perpendiculaire à la surface.

(figures 7A, B). L'augmentation de la masse est faible par rapport à la diminution de la contrainte que la quille fournit. La diminution du stress démontre l'efficacité de cette conception bioinspirés pour la concentration de stress dans la région carénées.

Figure 1
Figure 1. lanterne et dent la morphologie de la mer oursin Aristote. (A) Close-up de la vue ventrale d'un oursin ( à gauche) et la lanterne du Aristote ( à droite) 13. (B) Les coupes de ladent rainurée d'un oursin primitive de cidaroid (en haut) et la dent carénées d'un oursin camarodont moderne (en bas) 14. (C) Une dent isolée vu de son côté avec la pointe ( en bas) et la quille indiquée (côté gauche) 20. L' image (D) au MEB d'une coupe transversale polie de la dent avec la quille indiquée (en bas) 20. Images adaptées de références indiquées pour (A), (B), (C) et (D). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. bioinspirée conceptions basées sur la lanterne du Aristote. (A) de la vue isométrique d'un dessin pour un modèle bionique de la lanterne du Aristote, qui a imprimé 3D en plastique parts reliés par des bandes de caoutchouc (non représentés) pour la musculature attachée 16. (B, C) ​​la lanterne de l'Aristote a servi de source d' inspiration biologique pour une récolteuse de biopsie 13. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Quatre étapes du processus de bioinspiration. (Dans le sens horaire de la gauche) Le processus de bioinspiration commence par l' apprentissage de la nature par l' observation de l'oursin rose et la lanterne du Aristote. (En haut) Analyse de l'oursin et la structure à partir de scans μ-CT (à gauche) lanterne du Aristote. les résultats (à droite) recueillies sont utilisées pour générer un prototype de conception bioinspirés. (En bas) les méthodes d'analyse d'ingénierie ont été appliquées pour explorer phen biologiqueomena et le design bioinspirés 17,18. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Micro-calculée analyse de la tomographie de la structure de la lanterne de l'Aristote. Vue (A) latérale des structures pyramidales qui aident à soutenir les dents. Dents (B) d'oursins empiler les uns sur les autres et présentent cinq fois la symétrie. (C) des portions distales de pointe sont enlevés pour montrer les structures de quille fixés longitudinalement pour les cinq dents. (D) Une dent individuelle et la quille (bleu) avec pyramide (jaune) correspondant sont présentés et également indiqués dans (C). S'il vous plaît cliquer surici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. La microscopie électronique à balayage (MEB) analyse de la microstructure des oursins de mer de la dent. (A) Micrographie MEB d'une section transversale de la dent polie avec la région légère pierre de bande et de la quille ( en bas) indiquée. (B, C) ​​micrographies rétrodiffusion électronique SEM des boîtes pourpres et orange de (A) montrer plaque incurvée et des éléments primaires de calcite de fibres rondes situées au- dessus d' une matrice polycristalline Mg enrichi plus dense (gris foncé). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure6. 3D assemblé imprimé bioinspirés les pièces de lanterne d'Aristote. (A) des anneaux de retenue E-et bielles sont utilisés pour fixer les pièces de dents 3D imprimé à trois positions communes. (B) assemblé la lanterne bioinspirés Aristote avec une dent enlevée. (C) Vue de la quille pour les dents individuelles et les positions communes changeantes lorsque la lanterne est partiellement ( à gauche) et complètement ouvert ( à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. lanterne de conception et de l' utilisation de bioinspirée Aristote à la plage. (A, B) assistée par ordinateur des images de conception de la lanterne du bioinspirés Aristote alors respectivement fermé et complètement ouvert,. (C) La 3D imprimée bioinspirés lanterne d'Aristote recueilli différents types de sable sur la plage. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. bioinspirée essai oursin d'analyse des contraintes des dents. (A, B) l' analyse par éléments finis montre la non-carénées (A) par rapport à carénées (B) dent lorsqu'une force est appliquée sur les bords de la dent. La conception de la dent carénées connu ~ 16% moins de stress dû à l' ajout de la quille. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Les oursins utilisent la lanterne du Aristote (figure 1A) pour une variété de fonctions (alimentation, ennuyeux, pivotants, etc.). Les archives fossiles indique que la lanterne a évolué dans la forme et la fonction du type de cidaroid le plus primitif du type d'oursins modernes 14 de camarodont. Lanternes Cidaroid ont rainurée longitudinalement dents (figure 1B, en haut) et l' attachement non séparé du muscle à sa structure pyramidale. Cela limite leur mouvement ascendant et descendant et les prive de la puissance de raclage supérieure générée par un mouvement latéral, qui est observé dans les lanternes plus de camarodont modernes (figure 1B, en bas). Les biologistes ont émis l' hypothèse que la dent carénée (figure 1C, D) évolué camarodonts pour renforcer la dent sous les forces de traction engendrées par les fortes raclage des substrats durs 18,20,23.

Le protocole de conception bioinspirés dans ce travail combinéla biologie, les matériaux biologiques science, conception bioinspirés et bioexploration (Figure 3) pour développer un dispositif bioinspirés avec une fonction spécifique pour l' échantillonnage des sédiments. L'analyse μ-CT de la lanterne de l'Aristote (figure 4) a été importé en tant que fichier STL de référence depuis la conception de l' échantillonneur finale n'a pas imiter l'attachement musculaire complexe dans la structure naturelle. Au lieu de la conception bioinspirés employé un mécanisme d'ouverture et de fermeture plus simple avec des pièces qui pourraient être fabriqués facilement par une imprimante 3D pour le montage en lanterne sampler Aristote. Dans l'ensemble, nous avons utilisé une approche circulaire pour la conception bioinspirés depuis l'étape de bioexploration a permis de nouvelles conclusions à tirer de la biologie naturelle. Les modifications possibles de la conception bioinspirés peuvent répondre à différentes applications en dehors de l'échantillonnage des sédiments. Une limitation de ce protocole est qu'il est axé sur une application spécifique du processus bioinspirés pour un dispositif basésur la lanterne du Aristote. Cependant, le protocole décrit ici peut être appliqué à l'analyse, l'élaboration et à la fabrication finale bioinspirés d'autres conceptions basées sur des échantillons biologiques.

L'application principale de cette assemblé bioinspirés lanterne échantillonneur d'Aristote (figure 6) était de recueillir le sable meuble et compacté (figure 7). À l' avenir, la NASA a un plan pour ramener des échantillons martiens sur Terre en utilisant un rover de retour d' échantillons après une succession de missions depuis de nombreuses années 29. Un rover de retour d'échantillons équipé de la lanterne sampler un bioinspirés Aristote peut être bénéfique pour les futures missions. Un échantillonneur plus petit qui ressemble à la taille de la lanterne d'un Aristote naturelle peut également être utile pour d'autres applications. L'anisotropie de la dureté dans les dents d'oursins naturelles, tout en intéressant dans son propre droit, n'a pas été incorporé dans cette conception bioinspirés.

Bioexploration de keeled contre les dents non-carénées a confirmé l'objectif structurel important de la quille dans les oursins naturelles (figure 8). Le résultat bioexploration fournit des données qui aide à expliquer pourquoi les oursins modernes ont évolué structures quille. Nous reconnaissons que Porter 17,18 a été le premier à proposer l'étape de bioexploration appliquée dans ce travail, ce qui était essentiel pour l' utilisation de méthodes d'analyse de l' ingénierie pour quantifier l'avantage mécanique de la structure de la quille dans la dent de l' oursin. La conception future bioinspirés qui relie l'observation naturelle, les matériaux biologiques science, la conception bioinspirés et bioexploration peuvent être bénéfiques pour incorporer une familiarité profonde enracinée avec les principes de conception naturelle.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 Buehler 305308600102 Abrasive paper for polishing
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA Buehler 407518 Polish cloth for 3 μm suspension
METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC Buehler 406631 Polish suspension (3 μm)
MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA Buehler 407218 Polish cloth for 50 nm suspension
MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ Buehler 636377006 Polish suspension (50 nm)
Skyscan 1076 micro-CT Scanner Bruker Micro-CT scanner equipment
Amira software FEI Visualization Sciences Group Software for 3D manipulation of Micro-CT scans
FEI Philips XL30 FEI Philips ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections
SolidWorks Design software Dassault Systems Design software for CAD drawing bioinspired device
SolidWorks Simulation software Dassault Systems Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device
Dimension 1200es Stratasys 3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing
ABSplus Stratasys 3D printer plastic

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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