Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di 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
I campi della biologia, la scienza dei materiali biologici, biomateriali, bioingegneria e biochimica impiegano le tecniche scientifiche Premiere e la mente, nel tentativo di fornire una più profonda comprensione del mondo naturale incredibile. Questa ricerca ha spiegato molte delle più sorprendenti strutture biologiche e organismi; dalla robustezza intrinseca dell'osso umano 1,2 al grande becco del tucano 3. Tuttavia, gran parte di questa conoscenza è difficile applicare in un modo che può fornire un vantaggio per la società. Di conseguenza, il campo tangenziale Bioinspiration impiega le lezioni apprese dalla natura ai materiali moderni, al fine di risolvere i problemi comuni. Gli esempi includono superfici superhydrophobic ispirati da foglie di loto 4-6, superfici adesive ispirate ai piedi dei gechi e insetti 7,8, ceramiche dure ispirate alla madreperla abalone 9-11 e mietitrici biopsia ispirati al portavoce del riccio di mare, anche saperen come lanterna di Aristotele 12,13.
I ricci di mare sono animali invertebrati coperti di spine il cui habitat più comunemente è costituito dai fondali rocciosi sul fondo dell'oceano. Il corpo (chiamato test) nelle specie più grande riccio può essere più di 18 cm di diametro; formato di prova in rosa ricci di mare (Strongylocentrotus fragilis) esaminati in questo studio può crescere fino a 10 cm di diametro. Lanterna di Aristotele è composto da cinque particolare sono calcio carbonato denti supportati da strutture piramidali composte di tessuto mineralizzato e disposti in una formazione a cupola-like che racchiudono tutti, ma le punte di macinazione distali dei denti (Figura 1A).
La struttura muscolare delle ganasce è in grado di masticare efficiente e raschiando anche contro le rocce oceaniche dure e coralli. Quando le ganasce aperte, i denti sporgono verso l'esterno e quando le ganasce vicino, i denti si ritraggono verso l'interno in un unico movimento fluido. Confronto tra primitive (sopra) e moderni (sotto) riccio di mare dente sezioni (Figura 1B) indica che un dente chiglia si è evoluto per rafforzare il dente quando frantuma contro substrati duri. Ogni singolo dente ha una curvatura leggermente convessa e una morfologia a T nel piano trasversale (perpendicolare alla direzione di crescita) dovuta alla chiglia longitudinalmente allegata (Figura 1C, D).
Bioinspiration inizia con l'osservazione dei fenomeni naturali interessanti, come il movimento di masticazione efficace della lanterna di Aristotele di ricci di mare. Questa struttura naturale inizialmente catturato Aristotele perché gli ricordava di una lanterna corno con le lastre di corno lasciato fuori. Più di due millenni dopo, Scarpa era affascinato dalla complessità della lanterna di Aristotele che lui e poi Trogu imitava il movimento di masticazione naturale utilizzando solo carta e nastri di gomma (Figura 2A) 15,16. Allo stesso modo, è stato Jelinek bioispirati dal chewing movimento della lanterna di Aristotele e sviluppato una migliore mietitrice biopsia che potrebbe isolare in modo sicuro il tessuto tumorale senza diffondere le cellule cancerose (Figura 2b, C) 12,13. In questo caso, disegno bioispirati stati impiegati per effettuare un dispositivo biomedicale che misura specifica necessità di una applicazione desiderata.
Il protocollo di design qui descritto si applica a un campionatore di sedimenti bioispirati dai ricci di mare. Attraverso materiali biologici scienza, la struttura naturale della lanterna di Aristotele è caratterizzata. disegno bioispirati identifica potenziali applicazioni in cui i meccanismi naturali può essere migliorata attraverso l'uso di materiali moderni e tecniche di fabbricazione. Il progetto finale è riesaminata attraverso il prisma di bioexploration per capire come la struttura del dente naturale si è evoluta (Figura 3). L'ultimo passo bioexploration, proposto da Porter 17,18, utilizza metodi di analisi di ingegneria all'eXplore e spiegare fenomeni biologici. Tutte le fasi importanti del processo Bioinspiration sono presentati come un esempio per la tecnologia, pre-approvato per natura, che può essere utilizzato per risolvere i problemi moderni sfruttamento. Il nostro protocollo, motivata da procedure Bioinspiration precedenti presentati per applicazioni specifiche per Arzt 7, è prevista per biologi, ingegneri e tutti coloro che si ispira alla natura.
Protocol
Representative Results
Discussion
I ricci di mare usano lanterna di Aristotele (Figura 1A) per una serie di funzioni (alimentazione, noioso, girevoli, ecc). I reperti fossili indicano che la lanterna si è evoluta in forma e funzione dal tipo cidaroid più primitiva del tipo camarodont di moderni ricci di mare 14. Lanterne Cidaroid sono longitudinalmente scanalato denti (Figura 1B, in alto) e l'attaccamento non separati muscolare alla sua struttura piramidale. Questo limita il loro movimento su e…
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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