En protokol til bioinspirerede Design: En Ground Sampler Baseret på 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
De inden for biologi, biologiske materialer videnskab, biomaterialer, bioteknologi og biokemi ansætte premiere videnskabelige teknikker og sind i et forsøg på at give en dybere forståelse af den utrolige naturlige verden. Denne forskning har forklaret mange af de mest fantastiske biologiske strukturer og organismer; fra den iboende sejhed af human knogle 1,2 til den store næb af toucan 3. En stor del af denne viden er vanskelig at anvende på en måde, som kan give en fordel for samfundet. Som et resultat, den tangentielle område bioinspiration beskæftiger erfaringerne fra naturen til moderne materialer for at løse fælles problemer. Som eksempler kan nævnes superhydrophobic overflader inspireret af lotus blade 4-6, klæbende overflader inspireret af fødderne af gekkoer og insekter 7,8, hårde keramik inspireret af Nacre af abalone 9-11 og biopsi høstmaskiner inspireret af mundstykket på søpindsvin, også viden som Aristoteles 'lanterne 12,13.
Søpindsvin er hvirvelløse dyr dækket med pigge, hvis levested oftest består af rocky senge på havets bund. Kroppen (kaldet en test) i de største urchin arter kan være mere end 18 cm i diameter; test størrelse i pink søpindsvin (Strongylocentrotus fragilis) undersøgt i denne undersøgelse kan vokse til 10 cm i diameter. Den Aristoteles 'lanterne består af fem primært består calciumcarbonat tænder understøttes af vertikale strukturer bestående af mineraliseret væv og arrangeret i en kuppel-lignende formation, der omslutter alle, men de distale slibning tips af tænderne (figur 1A).
Musklen struktur af kæberne er i stand til effektivt tygge og skrabe selv mod hårde ocean sten og koraller. Når kæberne åbne, tænderne rager udad og når kæberne tæt, tænderne trække indad i en enkelt glidende bevægelse. Sammenligning mellem Primitive (ovenfor) og moderne (nedenfor) søpindsvin tand tværsnit (figur 1B) viser, at en keeled tand udviklet sig til at styrke tanden ved slibning mod hårde underlag. Hver enkelt tand har en lidt konveks krumning og en T-formet morfologi i det tværgående plan (vinkelret på væksten retning) på grund af den i længderetningen fastgjort køl (figur 1C, D).
Bioinspiration begynder med observation af interessante naturfænomener, såsom effektiv tygge bevægelse af Aristoteles 'lanterne i søpindsvin. Denne naturlige struktur oprindeligt tryllebundet Aristoteles, fordi det mindede ham om en Hornlygte med ruder af horn udeladt. Mere end to årtusinder senere blev Scarpa fascineret af kompleksiteten af Aristoteles 'lanterne, at han og senere Trogu efterlignede den naturlige tygge bevægelse ved hjælp af kun papir og elastikker (figur 2A) 15,16. Tilsvarende blev Jelinek bioinspirerede af chugge bevægelse af Aristoteles 'lanterne og udviklet en bedre biopsi mejetærsker, der sikkert kunne isolere tumorvævet uden at sprede kræftceller (figur 2B, C) 12,13. I dette tilfælde blev bioinspirerede design anvendt til at udføre en biomedicinsk anordning, der passer til et specifikt behov for en ønsket anvendelse.
Den her beskrevne design protokol gælder for et sediment sampler bioinspirerede af søpindsvin. Gennem biologiske materialer videnskab, er den naturlige struktur af Aristoteles 'lanterne karakteriseret. Bioinspirerede design identificerer potentielle applikationer, hvor de naturlige mekanismer kan forbedres gennem anvendelse af moderne materialer og fremstillingsteknik. Det endelige design er fornyet behandling gennem prisme af bioexploration at forstå, hvordan den naturlige tand struktur udviklet sig (Figur 3). Det sidste bioexploration skridt, foreslået af Porter 17,18, bruger engineering analysemetoder til eXplore og forklare biologiske fænomener. Alle de vigtige trin i bioinspiration processen præsenteres som et eksempel for at udnytte teknologien, forhåndsgodkendt af naturen, som kan bruges til at løse moderne problemer. Vores protokol, motiveret af tidligere bioinspiration procedurer præsenteres til specifikke applikationer fra Arzt 7, er målrettet til biologer, ingeniører og alle andre, der er inspireret af naturen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Søpindsvin bruger Aristoteles 'lanterne (figur 1A) for en række forskellige funktioner (fodring, kedeligt, drejelige, etc.). Den fossile optegnelser viser, at lygten har udviklet sig i form og funktion fra den mest primitive cidaroid type til den camarodont type moderne søpindsvin 14. Cidaroid lanterner har i længderetningen rillet tænder (figur 1B, øverst) og ikke-separeret muskel fastgørelse til sin pyramidestruktur. Dette begrænser deres op og ned bev?…
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 |
References
- Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?. Bone. 34 (5), 790-798 (2004).
- Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).
- Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).
- Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
- Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).
- Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).
- Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).
- Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).
- Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Tough, bio-inspired hybrid materials. Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).
- Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).
- Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).
- Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8 (1), 015002 (2014).
- Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility. J. Med. Devices. 8 (4), 041009 (2014).
- Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).
- Scarpa, G. . Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , (1985).
- Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. , (2014).
- Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails. , (2015).
- Porter, M. M. . Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , (2014).
- De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , (1982).
- Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).
- Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).
- Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function. Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).
- Ma, Y., et al. The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).
- Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).
- Andrietti, F., MD, C. a. r. n. e. v. a. l. i. . C. a. n. d. i. a., Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus. J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).
- Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
- Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. The Aristotle’s lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system. Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).
- Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea). J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).
- Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509 (7500), 272 (2014).
