Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur Sea Urchin Jaws
Summary
A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure.
Abstract
Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, known as the Aristotle’s lantern, is a compelling source of bioinspiration with an intricate network of musculature and calcareous teeth that can scrape, cut, chew food and bore holes into rocky substrates. We describe the bioinspiration process as including animal observation, specimen characterization, device fabrication and mechanism bioexploration. The last step of bioexploration allows for a deeper understanding of the initial biology. The design architecture of the Aristotle’s lantern is analyzed with micro-computed tomography and individual teeth are examined with scanning electron microscopy to identify the microstructure. Bioinspired designs are fabricated with a 3D printer, assembled and tested to determine the most efficient lantern opening and closing mechanism. Teeth from the bioinspired lantern design are bioexplored via finite element analysis to explain from a mechanical perspective why keeled tooth structures evolved in the modern sea urchins we observed. This circular approach allows for new conclusions to be drawn from biology and nature.
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle’s lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.
Materials
| BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 | Buehler | 305308600102 | Abrasive paper for polishing |
| TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA | Buehler | 407518 | Polish cloth for 3 um suspension |
| METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC | Buehler | 406631 | Polish suspension (3 um) |
| 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 |
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