Bioinspired 디자인을위한 프로토콜 : 접지 샘플러 성게 턱을 바탕으로
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
생물학의 필드는, 생물 재료 과학, 생체 재료, 생명 공학 및 생화학는 놀라운 자연 세계의 깊은 이해를 제공하기위한 시도로 초연 과학 기술과 마음을 사용합니다. 이 연구는 가장 놀라운 생물학적 구조와 생물의 많은 설명했다; 인간의 뼈 1, 2의 고유 인성에서 큰 부리 새 (3)의 큰 부리한다. 그러나,이 기술의 대부분은 사회에 이점을 제공 할 수있는 방식으로 사용하는 것이 곤란하다. 그 결과, bioinspiration의 접선 필드는 일반적인 문제를 해결하기 위해 현대적인 재료로 자연에서 얻은 교훈을 사용한다. 예를 들면 연꽃에서 영감을 초 소수성 표면 또한, 도마뱀의 발에서 영감을 4-6, 접착 표면을 떠나 전복 9-11와 성게의 마우스 피스에서 영감을 생검 수확기의 진주층에서 영감을 7, 8, 거친 도자기 곤충을 포함 알고있다n은 아리스토텔레스의 등불 12, 13 등.
성게는 그 서식지 가장 일반적으로 바다 바닥에 바위 침대로 구성되어 가시로 덮여 무척추 동물이다. 직경 이상 18cm가 될 수있는 가장 큰 게 종 (테스트라고도 함) 몸; 이 연구에서 조사 핑크 성게에서 테스트 크기 (Strongylocentrotus의 fragilis)는 10cm 직경 증가 할 수 있습니다. 아리스토텔레스의 등불은 치아 (그림 1A)의 원위부 분쇄 팁 제외하고 모두를 둘러싸는 돔 모양의 형성에 광물 조직 구성 및 배치 피라미드 구조가 지원하는 다섯 주로 탄산 칼슘 이빨로 구성되어있다.
턱의 근육 구조도 하드 바다 바위와 산호에 대한 효율적인 씹는 할 수 및 근근이 살아가고있다. 때 턱 공개, 치아가 바깥쪽으로 돌출 때 턱 주변, 치아는 하나의 부드러운 움직임에서 안쪽으로 후퇴. primitiv의 비교전자 (위)과 현대 (아래) 성게 치아 단면 (그림 1B)는 기절 치아가 하드 기판에 연마 할 때 치아를 강화하기 위해 진화 있음을 나타냅니다. 각 치아 인해 종 부착 용골 (도 1C, D)에 약간 볼록한 곡률 (성장 방향에 수직 한) 횡단 평면에서 T 형상의 형태를 갖는다.
Bioinspiration는 성게에서 아리스토텔레스의 등불의 효율적인 씹는 운동 흥미로운 자연 현상의 관찰로 시작합니다. 뿔의 창 밖으로 왼쪽으로는 혼 랜턴의 그를 생각 나게하기 때문에 자연적인 구조는 처음 아리스토텔레스을 사로 잡았다. 두 개 이상의 천년 후, 스카 르파 그가 나중에 Trogu은 종이와 고무 밴드 (그림 2A) (15, 16)를 사용하여 자연 씹는 동작을 모방 아리스토텔레스의 등불의 복잡성에 매료되었다. 마찬가지로, 옐리네크는 C에 의해 bioinspired했다아리스토텔레스의 등불 운동을 hewing 안전하게 암 세포 (그림 2B, C) 12, 13을 확산하지 않고 종양 조직을 분리 할 수있는 더 나은 생검 수확기를 개발했다. 이 경우, bioinspired 디자인은 소망하는 애플리케이션에 대한 특정 요구에 맞게 생의학 장치를 만들기 위해 사용 하였다.
여기에 설명 된 디자인 프로토콜은 성게가 bioinspired 침전물 샘플러에 적용됩니다. 생체 재료 과학을 통해, 아리스토텔레스의 등불의 자연 구조를 특징으로한다. Bioinspired 설계는 자연 메커니즘 현대적 재료 및 제조 기술의 사용을 통해 개선 될 수있는 잠재적 애플리케이션을 식별한다. 최종 디자인은 자연 치아 구조가 진화 방법을 이해하는 bioexploration의 프리즘을 통해 다시 조사 (그림 3). 포터 (17, 18)에 의해 제시된 마지막 bioexploration 단계는, 예 엔지니어링 분석 방법을 사용하여xplore 및 생물학적 현상을 설명한다. bioinspiration 프로세스의 모든 중요한 단계는 현대 문제를 해결하기 위해 사용될 수있는 기술은 본질적으로 미리 승인을 활용하는 예로서 제시된다. 아츠 (7)에 의해 특정 응용 프로그램을 위해 제공 이전 bioinspiration 절차에 의해 동기를 우리의 프로토콜은, 생물 학자, 엔지니어, 자연에서 영감을 다른 사람이 대상이된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
성게는 다양한 기능 (피봇 공급, 지루, 등)에 대한 아리스토텔레스의 등불 (그림 1A)를 사용합니다. 화석 기록은 랜턴 현대 성게 (14)의 camarodont 유형으로 가장 원시적 인 cidaroid 형식에서 모양과 기능으로 진화하고 있음을 나타냅니다. Cidaroid 등불은 길이 방향으로 치아 (그림 1B, 상단)과 피라미드 구조가 아닌 분리 된 근육 부착 홈이있다. 이것은 그들의 상하 …
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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