Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em 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
Os campos da biologia, ciência dos materiais biológicos, biomateriais, bioengenharia e bioquímica empregar as técnicas científicas de estréia e mentes em uma tentativa de fornecer uma compreensão mais profunda da incrível mundo natural. Esta pesquisa tem explicado muitas das estruturas biológicas mais surpreendentes e organismos; da resistência intrínseca do osso humano 1,2 ao grande bico do tucano 3. No entanto, grande parte desse conhecimento é difícil empregar de um modo que pode fornecer um benefício para a sociedade. Como resultado, o campo tangencial do Bioinspiration emprega as lições aprendidas com a natureza para materiais modernos, a fim de resolver problemas comuns. Exemplos incluem superfícies hidrofóbicas inspirados em folhas de lótus 4-6, superfícies adesivas inspirados pelos pés de lagartixas e insectos 7,8, cerâmica difíceis inspirados pelo nácar de abalone 9-11 e colheitadeiras biópsia inspirados pelo bocal do ouriço-do-mar, também conhecern como lanterna de Aristóteles 12,13.
ouriços-do-mar são animais invertebrados cobertas com espinhos cujo habitat mais comum consiste nas camas rochosos no fundo do oceano. O corpo (chamado de teste) em espécie a maior Urchin pode ser superior a 18 cm de diâmetro; tamanho de teste em ouriços do mar-de-rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinou neste estudo pode crescer até 10 cm de diâmetro. Lanterna de Aristóteles é composto por cinco dentes de carbonato de cálcio predominantemente suportados por estruturas em pirâmide compostas de tecido mineralizado e arranjados em uma formação de cúpula como que encerram todos, mas as dicas de moagem distais dos dentes (Figura 1A).
A estrutura muscular dos maxilares é capaz de mastigação eficiente e raspagem mesmo contra rochas do oceano duros e corais. Quando as mandíbulas abertas, os dentes se projetam para fora e quando as maxilas de perto, os dentes retrair para dentro em um único movimento suave. Comparação entre primitive (acima) e modernos (abaixo) dente ouriço do mar secções transversais (Figura 1B) indica que um dente keeled evoluiu para fortalecer o dente quando moagem contra substratos rígidos. Cada dente indivíduo tem uma curvatura ligeiramente convexa e uma morfologia em forma de T no plano transversal (perpendicular à direcção do crescimento) devido à quilha longitudinal ligado (Figura 1C, D).
Bioinspiration começa com a observação de fenómenos naturais interessantes, como o movimento de mastigação eficiente da lanterna de Aristóteles em ouriços do mar. Esta estrutura natural inicialmente cativado Aristóteles porque o lembrava de uma lanterna de chifre com os painéis de chifre deixado de fora. Mais de dois milênios depois, Scarpa era fascinado pela complexidade da lanterna de Aristóteles que ele e mais tarde Trogu imitou o movimento de mastigação natural, usando apenas papel e faixas de borracha (Figura 2A) 15,16. Da mesma forma, Jelinek foi bioinspirado pelo chewing movimento da lanterna de Aristóteles e desenvolveu uma melhor harvester biópsia que pode isolar com segurança tecido tumoral sem espalhar as células cancerosas (Figura 2B, C) 12,13. Neste caso, de criação bioinspirado foi utilizada para fazer um dispositivo biomédico que se encaixam uma necessidade específica para uma aplicação desejada.
O protocolo projeto descrito aqui se aplica a um amostrador de sedimentos bioinspirado por ouriços do mar. Através da ciência de materiais biológicos, a estrutura natural da lanterna de Aristóteles é caracterizado. desenho Bioinspirada identifica potenciais aplicações em que os mecanismos naturais podem ser melhorados através do uso de materiais e técnicas modernas de fabricação. O desenho final é re-examinada pelo prisma da bioexploration para entender como a estrutura natural do dente evoluiu (Figura 3). O último passo bioexploration, proposto por Porter 17,18, usa métodos de análise de engenharia para eXplore e explicar fenômenos biológicos. Todos as etapas importantes do processo Bioinspiration são apresentados como um exemplo para o aproveitamento da tecnologia, pré-aprovada por natureza, que pode ser usado para a resolução de problemas modernos. Nosso protocolo, motivado por procedimentos Bioinspiration anteriores apresentados para aplicações específicas por Arzt 7, é voltado para biólogos, engenheiros e qualquer outra pessoa que é inspirado na natureza.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ouriços do mar usar a lanterna de Aristóteles (Figura 1A) para uma variedade de funções (alimentação, chato, girar, etc.). O registro fóssil indica que a lanterna tem evoluído de forma e função a partir do tipo cidaroid mais primitivo ao tipo camarodont das modernas ouriços do mar 14. Lanternas Cidaroid ter longitudinalmente sulcado dentes (Figura 1B, em cima) e apego não separados músculo a sua estrutura de pirâmide. Isto limita o seu movimento ascende…
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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