Bioinspired डिजाइन के लिए एक प्रोटोकॉल: एक जमीन नमूना समुद्री साही जॉज़ के आधार पर
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
जीव विज्ञान के क्षेत्र, जैविक पदार्थ विज्ञान, biomaterials, जैव प्रौद्योगिकी और जैव रसायन अविश्वसनीय प्राकृतिक दुनिया के एक गहरी समझ प्रदान करने के प्रयास में प्रीमियर के वैज्ञानिक तकनीकों और दिमाग को रोजगार। इस शोध के लिए सबसे अद्भुत जैविक संरचनाओं और जीवों की कई समझाया गया है; मानव हड्डी 1,2 के आंतरिक बेरहमी से टूकेन 3 की बड़ी चोंच के लिए। हालांकि, इस ज्ञान का ज्यादा एक तरह से है कि समाज के लिए एक लाभ प्रदान कर सकते हैं में काम करने के लिए मुश्किल है। नतीजतन, bioinspiration की स्पर्शरेखा क्षेत्र आम समस्याओं को हल करने के क्रम में सबक प्रकृति से आधुनिक सामग्री के लिए सीखा कार्यरत हैं। उदाहरण कमल से प्रेरित superhydrophobic सतहों पत्ते 4-6, चिपकने वाला गेको के पैरों से प्रेरित सतहों और 7,8, कठिन मोती का सीप 9-11 और समुद्री साही के मुखपत्र से प्रेरित बायोप्सी हार्वेस्टर की सीप से प्रेरित मिट्टी के पात्र कीड़े, भी शामिल जाननाn अरस्तू के लालटेन 12,13 के रूप में।
सागर अर्चिन अकशेरुकी कांटा जिसका वास सबसे अधिक समुद्र के तल पर चट्टानी बेड के होते हैं के साथ कवर जानवर हैं। शरीर की सबसे बड़ी साही प्रजातियों में (एक परीक्षण कहा जाता है) व्यास में अधिक से अधिक 18 सेमी हो सकता है; गुलाबी समुद्र अर्चिन में परीक्षण के आकार (स्ट्रोंगिलोसेंट्रोटस fragilis) इस अध्ययन में जांच 10 सेमी व्यास को विकसित कर सकते हैं। अरस्तू के लालटेन पांच मुख्यतः कैल्शियम कार्बोनेट कि लेकिन दांत (चित्रा 1 ए) के बाहर का पीस सुझावों के सभी लगा देना mineralized ऊतक से बना है और एक गुंबद की तरह गठन में व्यवस्था पिरामिड संरचनाओं द्वारा समर्थित दांत से बना है।
जबड़े की मांसपेशियों संरचना कुशल चबाने में सक्षम है और यहां तक कि हार्ड सागर चट्टानों और कोरल के खिलाफ scraping है। जब जबड़े खुले, दांत बाहर की ओर निकले और जब जबड़े बंद, दांत एक भी निर्बाध गति में अंदर की ओर वापस लेना। primitiv के बीच तुलनाई (ऊपर) और आधुनिक (नीचे) समुद्री साही दांत पार वर्गों (चित्रा 1 बी) इंगित करता है कि एक keeled दांत जब हार्ड substrates के खिलाफ पीस दाँत मजबूत करने के लिए विकसित किया गया। प्रत्येक व्यक्ति दांत longitudinally जुड़ी उलटना (चित्रा 1 सी, डी) के कारण एक से थोड़ा उत्तल वक्रता और अनुप्रस्थ विमान (विकास की दिशा के लिए सामान्य) में एक टी के आकार आकृति विज्ञान है।
Bioinspiration जैसे समुद्र अर्चिन में अरस्तू के लालटेन की कुशल चबाने गति के रूप में दिलचस्प प्राकृतिक घटना है, के अवलोकन के साथ शुरू होता है। इस प्राकृतिक संरचना शुरू में अरस्तू मोहित क्योंकि यह उसे एक सींग लालटेन की याद दिला दी सींग के शीशे के साथ बाहर छोड़ दिया। अधिक से अधिक दो सदियों के बाद, Scarpa अरस्तू के लालटेन की जटिलता है कि वह और बाद में Trogu मजाक उड़ाया केवल कागज और रबर बैंड (2A चित्रा) 15,16 का उपयोग कर प्राकृतिक चबाने गति से मोहित हो गया था। इसी तरह, Jelinek ग द्वारा bioinspired थाअरस्तू के लालटेन की गति hewing और एक बेहतर बायोप्सी हारवेस्टर कि सुरक्षित रूप से कैंसर कोशिकाओं (चित्रा 2 बी, सी) 12,13 प्रसार के बिना tumorous ऊतक को अलग कर सकता है विकसित की है। इस मामले में, bioinspired डिजाइन एक जैव चिकित्सा उपकरण है कि एक वांछित आवेदन के लिए एक विशिष्ट की जरूरत है फिट बनाने के लिए उपयोग किया गया था।
डिजाइन यहाँ वर्णित प्रोटोकॉल एक तलछट पारखी समुद्र अर्चिन द्वारा bioinspired करने के लिए लागू होता है। जैविक सामग्री विज्ञान के माध्यम से, अरस्तू के लालटेन की प्राकृतिक संरचना होती है। Bioinspired डिजाइन संभावित अनुप्रयोगों जहां प्राकृतिक तंत्र आधुनिक सामग्री और निर्माण तकनीक के प्रयोग के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है दिखाता है। अंतिम डिजाइन bioexploration के चश्मे से फिर से जांच की है समझने के लिए कैसे प्राकृतिक दांत संरचना विकसित (चित्रा 3)। पिछले bioexploration कदम, पोर्टर 17,18 द्वारा प्रस्तावित, इंजीनियरिंग विश्लेषण के तरीकों का उपयोग करता है ई के लिएएक्सप्लोर और जैविक घटना समझाओ। सभी bioinspiration प्रक्रिया का महत्वपूर्ण कदम प्रौद्योगिकी, स्वभाव से पूर्व मंजूरी दे दी है, जो आधुनिक समस्याओं को सुलझाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता दोहन के लिए एक उदाहरण के रूप में प्रस्तुत कर रहे हैं। हमारी प्रोटोकॉल, Arzt 7 से विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए प्रस्तुत पिछले bioinspiration प्रक्रियाओं से प्रेरित, जीव, इंजीनियरों और किसी और जो प्रकृति से प्रेरित है के लिए लक्षित है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सागर अर्चिन (आदि खिला, बोरिंग, पिवट) कार्यों की एक किस्म के लिए अरस्तू के लालटेन (चित्रा 1 ए) का उपयोग करें। जीवाश्म रिकॉर्ड इंगित करता है कि लालटेन आधुनिक समुद्र अर्चिन 14 के camarodont टाइप करने के …
Disclosures
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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