バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、
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
生物学、生物学、材料科学、生体材料、生体工学および生化学の分野では信じられないほどの自然界のより深い理解を提供するための試みで、初演の科学技術と心を採用しています。本研究では、最も驚くべき生物学的構造および生物の多くを説明しています。人間の骨1,2の本質的な靭性からオオハシ3の大きなくちばしに。しかし、この知識の多くは、社会に恩恵を与えることができるように採用することは困難です。その結果、bioinspirationの接線方向のフィールドは、一般的な問題を解決するために現代的な素材に自然から学んだ教訓を採用しています。例としては、蓮に触発された超疎水性表面も、ヤモリの足に触発4-6、接着面を残し、アワビ9-11とウニのマウスピースに触発生検ハーベスタの真珠層に触発7,8、タフなセラミックスを昆虫を含みます知っていますアリストテレスの提灯12,13としてのn。
ウニは、その生息地、最も一般的に海の底に岩のベッドで構成されて棘で覆われた無脊椎動物です。最大のウニ種で（テストと呼ばれる）の体は直径18以上のcmであることができます。ピンクのウニ（Strongylocentrotusフラジリス ）でのテストの大きさは直径10cmに成長することができ、本研究で検討しました。アリストテレスの提灯は、ピラミッド構造鉱化組織で構成され、すべてが、歯（ 図1A）の遠位研削ヒントを囲むドーム状の形成に配置することによって支援される5つの主に炭酸カルシウムの歯で構成されています。
顎の筋肉の構造は、効率的な咀嚼することができ、さらにはハード海の岩やサンゴ擦ります。オープンジョーが、歯が外側に突出したときに顎近いとき、歯は、単一の滑らかな動きで内側に引っ込めます。 primitivとの比較E（上）と現代（下）ウニの歯の断面（ 図1B）は keeled歯は硬質基材に対して研削時に歯を強化するために進化したことを示しています。各個々の歯が原因で縦方向に取り付けられたキール（ 図1C、D）にわずかに凸状の湾曲と（成長方向に対して垂直な）横断面におけるT字形の形態を有しています。
Bioinspirationは、ウニにおけるアリストテレスの提灯の効率的な咀嚼運動として興味深い自然現象の観察から始まります。それは取り残さホーンのペインでホーンランタンの彼を思い出したので、この自然な構造は、最初はアリストテレスを魅了します。以上の2千年後に、スカルパは彼と後でTroguのみ紙やゴムバンド（ 図2A）15,16 を使用して、自然な咀嚼運動を模倣アリストテレスの提灯の複雑さに魅了されました。同様に、イェリネクはcでバイオインスパイアードされましたアリストテレスの提灯の動きを合わせぎりかつ安全に癌細胞（ 図2B、C）12,13 を拡散することなく、腫瘍組織を分離することができ、より良い生検ハーベスターを開発しました。この場合、バイオインスパイアード設計は、所望のアプリケーションの特定のニーズに合う生物医学装置を作るために利用されました。
ここで説明した設計プロトコルは、ウニによりバイオインスパイアード土砂サンプラーに適用されます。生物学的材料科学を通じ、アリストテレスの提灯の自然な構造が特徴としています。バイオインスパイアードのデザインは、自然のメカニズムは、現代的な素材と製造技術の使用により増強することができる潜在的なアプリケーションを識別します。最終的なデザインは、自然な歯の構造がどのように進化したかを理解するためにbioexplorationのプリズムを再検討します （ 図3）。ポーター17,18によって提案された最後のbioexplorationステップは、eまでエンジニアリング解析メソッドを使用していますxploreとは、生物学的現象を説明します。 bioinspirationプロセスのすべての重要なステップは、現代の課題を解決するために使用することができる性質によって事前承認された技術を、利用するための例として提示されます。私たちのプロトコルは、Arzt 7によって、特定の用途のために提示前のbioinspiration手順によって動機づけ、生物学者、エンジニア、自然に触発されて他の人を対象としています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ウニは、様々な機能（旋回させる送り、退屈な、 など ）のためにアリストテレスの提灯（ 図1A）を使用します。化石記録は、提灯が最も原始cidaroidタイプから近代的なウニ14のcamarodont型に形状や機能に進化してきたことを示しています。 Cidaroid提灯は、縦方向の歯（ 図1B、上 ）とそのピラミッド構造に非分離筋アタッチメント溝付きまし…
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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