समुद्री स्पंज कंटक के यांत्रिक गुणों को मापने के लिए एक मिलीमीटर पैमाने वंक परीक्षण प्रणाली
Summary
हम उप मिलीमीटर पैमाने पर एक कस्टम निर्मित यांत्रिक परीक्षण डिवाइस का उपयोग कर फाइबर पर तीन-बिंदु झुकने परीक्षण प्रदर्शन के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । डिवाइस 10 N करने के लिए 20 µN से लेकर बलों उपाय कर सकते हैं और इसलिए फाइबर आकार की एक किस्म को समायोजित कर सकते हैं.
Abstract
कई लोड असर जैविक संरचनाओं (LBBSs) — जैसे पंख rachises और कंटक — छोटे होते हैं (& #60; 1 mm) लेकिन माइक्रोस्कोपी नहीं । इन LBBSs के वंक व्यवहार को मापने उनके उल्लेखनीय यांत्रिक कार्यों के मूल को समझने के लिए महत्वपूर्ण है ।
हम एक कस्टम निर्मित यांत्रिक परीक्षण डिवाइस है कि 10-5 से 101 एन और विस्थापन 10 से लेकर 10 से लेकर बलों को मापने कर सकते है का उपयोग कर तीन-बिंदु झुका परीक्षण प्रदर्शन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन-7 -2 एम । इस यांत्रिक परीक्षण उपकरण का प्राथमिक लाभ यह है कि बल और विस्थापन क्षमता आसानी से अलग LBBSs के लिए समायोजित किया जा सकता है । इस उपकरण का ऑपरेटिंग सिद्धांत एक परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोप के समान है । अर्थात्, बल एक लोड बिंदु है कि एक ब्रैकट के अंत से जुड़ा है द्वारा LBBS के लिए लागू किया जाता है । लोड बिंदु विस्थापन एक फाइबर ऑप्टिक विस्थापन संवेदक द्वारा मापा जाता है और एक मापा ब्रैकट कठोरता का उपयोग कर बल में परिवर्तित । डिवाइस के बल रेंज अलग stiffnesses के cantilevers का उपयोग करके समायोजित किया जा सकता है ।
डिवाइस की क्षमताओं समुद्री स्पंज Euplectella aspergillumके कंकाल तत्वों पर तीन सूत्री झुकने परीक्षण प्रदर्शन करके प्रदर्शन कर रहे हैं । कंकाल तत्वों-कंटक के रूप में जाना-सिलिका फाइबर कि लगभग ५० व्यास में µm हैं । हम यांत्रिक परीक्षण उपकरण जांच के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन, एक ≈ १.३ mm अवधि के साथ एक तीन-बिंदु झुकने स्थिरता पर कंटक बढ़ते, और एक झुकने परीक्षण प्रदर्शन । लागू बल के स्थान पर spicule और उसके विक्षेपन पर लागू बल मापा जाता है.
Introduction
ऐसे शेल और हड्डी के रूप में प्रभाव जैविक संरचनाओं (LBBSs), लोड के आर्किटेक्चर का अध्ययन करके, इंजीनियरों नए समग्र सामग्री है कि दोनों मजबूत और कठिन है विकसित किया है 1। यह दिखाया गया है कि उल्लेखनीय LBBSs और उनके जैव के यांत्रिक गुणों समकक्षों अपने जटिल आंतरिक वास्तुकला से संबंधित है 2। हालांकि, LBBS आर्किटेक्चर और यांत्रिक गुणों के बीच संबंध पूरी तरह से समझ में नहीं आ रहे हैं । एक है LBBS यांत्रिक प्रतिक्रिया को मापने समझ कैसे अपनी वास्तुकला यांत्रिक गुणों को बढ़ाता है की ओर पहला कदम है ।
हालांकि, यह महत्वपूर्ण है कि परीक्षण के प्रकार के एक LBBS यांत्रिक प्रतिक्रिया को मापने के लिए इस्तेमाल किया अपने यांत्रिक समारोह के अनुरूप है । उदाहरण के लिए, पंख के बाद से बेधड़क भार का समर्थन करना चाहिए, एक पंख राच्यों के प्राथमिक समारोह वंक कठोरता प्रदान करने के लिए है 3. इसलिए, एक झुकने परीक्षण अपनी यांत्रिक प्रतिक्रिया को मापने के लिए एक uniaxial तनाव परीक्षण करने के लिए पसंद किया जाता है । वास्तव में, कई LBBSs — जैसे पंख rachises 3, घास उपजी 4, और कंटक 5,6,7,8— मुख्य रूप से झुकने से ख़राब । इसका कारण यह है कि ये LBBSs पतला —यानी, उनकी लम्बाई उनकी चौड़ाई या गहराई से काफी अधिक है. हालांकि, इन LBBSs पर झुकने परीक्षण प्रदर्शन चुनौतीपूर्ण है क्योंकि बलों और विस्थापन कि वे 10-2 से 102 एन और 10-4 से 10-3 एम, क्रमशः 3 से विफल होने से पहले सामना कर सकते है , 4 , 5 , 7 , 8. फलस्वरूप, इन यांत्रिक परीक्षणों प्रदर्शन करने के लिए इस्तेमाल किया डिवाइस ≈ 10-5 एन और ≈ 10-7 एम (यानी, सेंसर की अधिकतम माप बल और विस्थापन का ०.१%), क्रमशः के बल और विस्थापन संकल्प होना चाहिए ।
व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, बड़े पैमाने पर, यांत्रिक परीक्षण प्रणालियों आम तौर पर इस संकल्प के साथ बलों और विस्थापन उपाय नहीं कर सकते । जबकि परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोप आधारित 9,10 या microelectromechanical प्रणालियों आधारित 11 परीक्षण उपकरणों पर्याप्त संकल्प किया है, अधिकतम बल (संबंधित विस्थापन) वे माप कर सकते हैं से छोटा है अधिकतम बल (संबंधित विस्थापन) है कि LBBS सामना कर सकते हैं । इसलिए, इन LBBSs पर झुकने परीक्षण करने के लिए, इंजीनियरों और वैज्ञानिकों कस्टम निर्मित यांत्रिक परीक्षण उपकरणों के 5,7,12,13पर निर्भर होना चाहिए । इन कस्टम निर्मित उपकरणों का प्राथमिक लाभ यह है कि वे बलों और विस्थापनों की बड़ी श्रेणियों को समायोजित कर सकते हैं । हालांकि, इन उपकरणों के निर्माण और संचालन के साहित्य में अच्छी तरह से प्रलेखित नहीं है ।
एक प्रोटोकॉल एक कस्टम निर्मित यांत्रिक परीक्षण डिवाइस है कि 10-5 से 101 एन और विस्थापन 10 से लेकर 10 से लेकर बलों को मापने कर सकते है का उपयोग कर तीन-बिंदु झुका परीक्षण प्रदर्शन के लिए वर्णन किया गया है-7 -2 एम । तकनीकी चित्र, यांत्रिक परीक्षण उपकरण के घटकों के सभी आयामों सहित, अनुपूरक सामग्री में प्रदान की जाती हैं । इस यांत्रिक परीक्षण उपकरण का प्राथमिक लाभ यह है कि बल और विस्थापन पर्वतमाला आसानी से अलग LBBSs सूट करने के लिए समायोजित किया जा सकता है । इस उपकरण के ऑपरेटिंग सिद्धांत है कि एक परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोप के 9के समान है । इस उपकरण में, एक नमूना एक स्टेनलेस स्टील प्लेट में कटौती एक खाई भर में रखा गया है ( चित्रा 1ए-सीदेखें) । खाई की अवधि ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ से मापा जाता है १२७८ ± 3 µm (मतलब ± मानक विचलन; n = 10) । खाई किनारों एक झुकने परीक्षण के दौरान नमूना समर्थन ( चित्रा 1C, और डी) देखें । यह नमूना चरण एक तीन अक्ष अनुवाद मंच से जुड़ा हुआ है और एक एल्यूमीनियम कील के नीचे तैनात इतना है कि कील है खाई अवधि के बीच में स्थित है ( चित्रा 1सीदेखें) । दिशा में मंच चलती द्वारा ( 
चित्र 1a, और सी) देखें, नमूना नमूना मोड़ करने के लिए कारण कील में धकेल दिया है.
हम लोड बिंदु टिप (एलपीटी) के रूप में कील को देखें और उस डिवाइस के घटक के रूप में कील जिसमें लोड पॉइंट (LP) है । एल. पी. एक ब्रैकट जिसका विस्थापन एक फाइबर ऑप्टिक विस्थापन संवेदक (FODS) द्वारा मापा जाता है के अंत करने के लिए संलग्न है । FODS अवरक्त प्रकाश उत्सर्जित करता है, जो एक दर्पण के बंद एल. पी. के शीर्ष सतह पर स्थित प्रतिबिंबित है ( चित्रा 1बीदेखें) और FODS में एक ऑप्टिकल फाइबर द्वारा प्राप्त की । एक ≈ 5 मिमी एक पॉलिश सिलिकॉन वेफर का वर्ग टुकड़ा एल ई डी दर्पण के रूप में प्रयोग किया जाता है और एल. एस. epoxy का उपयोग करने के लिए चिपका है । FODS उत्सर्जन और परिलक्षित प्रकाश की तीव्रता की तुलना द्वारा विस्थापन उपाय । ब्रैकट कठोरता और विस्थापन के लिए बल की गणना,, नमूना के साथ अपनी बातचीत के कारण कील द्वारा अनुभव किया जाता है । 
ब्रैकट विस्थापन भी कील के नीचे है नमूना पार अनुभाग के विस्थापन की गणना करने के लिए प्रयोग किया जाता है, । 
सूक्ष्म और स्थूल पैमाने पर यांत्रिक परीक्षण अध्ययन के 10,11,12,13,14के एक नंबर में ब्रैकट आधारित बल सेंसरों का उपयोग किया गया है । विशिष्ट डिजाइन यहां प्रस्तुत एक यांत्रिक परीक्षण चिपकने वाला संपर्क प्रयोगों 14प्रदर्शन के लिए इस्तेमाल किया डिवाइस से अनुकूलित है । इसी तरह की डिजाइन में भी एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध माइक्रो-tribometer 15,16में इस्तेमाल किया गया है ।
चित्र 1: कस्टम-निर्मित यांत्रिक परीक्षण डिवाइस का ओवरव्यू. (क) एक कंप्यूटर उपकरण के डिजाइन प्रतिपादन सहायता प्राप्त की । मंच के घटकों को हरे रंग में डाला जाता है । बल संवेदन उपविधानसभा (ब्रैकट, लोड प्वाइंट (LP)) लाल रंग में हाइलाइट किया गया है । (ख) (क) का एक बढ़ाया दृश्य । एल. पी. दर्पण FODS के नीचे एल. पी. के ऊपरी सतह पर नीले रंग में दिखाया गया है और LPM लेबल है. (C) अनुवाद अवस्था की गति का वर्णन करने के लिए प्रयुक्त निर्देशांक प्रणाली । तर कर गुप्रोटोकॉल के चरण १.९ में ई चरण, दिशा के साथ मेल करने के लिए किया जाता है वेक्टर एल पी दर्पण की सतह के लिए सामांय । (D) spicule और मापी विस्थापनों की विकृति को दर्शाते हुए तीन-पॉइंट झुकने वाले विंयास का एक योजनाबद्ध रूप से, और । 
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डिवाइस की क्षमताओं समुद्री स्पंज Euplectella aspergillum6,7के कंकाल तत्वों पर तीन सूत्री झुकने परीक्षण प्रदर्शन करके प्रदर्शन कर रहे हैं। इस स्पंज कंकाल रेशा की एक विधानसभा है, कंटक कहा जाता है ( चित्रा 2एदेखें) । कंटक ≈ ५० µm मोटी हैं और मुख्य रूप से सिलिका 6बना रहे हैं । सिलिका आधारित कंटक Demospongiae, Homoscleromorpha, और Hexactinellida वर्गों से संबंधित स्पंज में पाए जाते हैं । स्पंज, इस तरह के रूप में ई. aspergillum, कि वर्ग Hexactinellida से संबंधित भी “ग्लास स्पंज के रूप में जाना जाता है.” जबकि ग्लास स्पंज की कंटक सिलिका के मुख्य रूप से बना रहे हैं, यह दिखाया गया है कि सिलिका अक्सर एक कार्बनिक मैट्रिक्स या तो कोलेजन 17,18 या काइटिन 19,20 से बना होता है , 21. यह कार्बनिक मैट्रिक्स सिलिका biomineralization 18,20में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है । इसके अलावा, कुछ कंटक में कार्बनिक मैट्रिक्स भी कैल्शियम की biomineralization के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है 22. सिलिका के भीतर वितरित किया जा रहा है के अलावा, कार्बनिक मैट्रिक्स भी अलग परतों कि गाढ़ा, बेलनाकार lamellae 6,23में spicule सिलिका विभाजन फार्म कर सकते हैं । यह दर्शाया गया है कि यह गाढ़ा, lamellar आर्किटेक्चर कंटक ‘ विरूपण व्यवहार को प्रभावित कर सकता है 6,7,8,24,25,26 . नतीजतन, ‘ कंटक यांत्रिक गुणों को अपने रसायन (यानी, सिलिका प्रोटीन समग्र की रासायनिक संरचना) और उनकी वास्तुकला 27के संयोजन के द्वारा निर्धारित कर रहे हैं । ग्लास स्पंज कंटक की रासायनिक संरचना और वास्तुकला दोनों अभी भी जांच के 24,28,29के अंतर्गत हैं ।
ई. aspergillum में कंटक के अधिकांश एक साथ सीमेंट एक कड़ी कंकाल पिंजरे के रूप में कर रहे हैं । हालांकि, कंकाल के आधार पर वहां बहुत लंबे (≈ 10 सेमी) कंटक लंगर कंटक के रूप में जाना जाता है ( चित्रा 2एदेखें) का गुच्छा है । हम लंगर कंटक के छोटे वर्गों पर तीन सूत्री झुकने परीक्षण प्रदर्शन के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन ।
प्रोटोकॉल के चरण 1 में, कस्टम-निर्मित यांत्रिक परीक्षण डिवाइस के घटकों को कोडांतरण और संरेखित करने के लिए कार्यविधि का वर्णन किया गया है । चरण 2 और प्रोटोकॉल का 4 झुका परीक्षण में बलों और विस्थापनों की गणना करने के लिए उपयोग किए गए अंशांकन डेटा जनरेट करने के लिए निर्देश प्रदान करते हैं । एक spicule का एक वर्ग तैयार करने और यह परीक्षण स्थिरता माउंट करने के लिए उठाए गए कदम चरण 3में वर्णित हैं । spicule अनुभाग पर बेंडिंग परीक्षण आयोजित करने की कार्यविधि चरण 5में बताई गई है । अंत में, प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में अंशांकन डेटा चरण 2 और 4 में प्राप्त झुका परीक्षण डेटा की गणना करने के लिए चरण 5 में प्राप्त के साथ उपयोग किया जाता है और.
चित्र 2: अनुभागीकरण और निरीक्षण के लिए प्रक्रिया ई. aspergillum कंटक। (क) ई. aspergillumका कंकाल. मुक्त खड़े लंगर कंटक का गुच्छा कंकाल के आधार पर दिखाया गया है । स्केल बार ~ 25 मिमी है । (B) एक एकल एंकर spicule को एक माइक्रोस्कोप स्लाइड पर एक #00000 लाल सेबल ब्रश का उपयोग करके और एक रेजर ब्लेड का प्रयोग करके खोदी गई जगह पर रखा जाता है । स्केल बार ~ 12 मिमी है । (C) एक खंड के एक ई. aspergillum नमूना मंच पर खाई भर में रखा spicule । ट्रेंच किनारों और ट्रेंच रिज चैती और नारंगी, क्रमशः में उजागर कर रहे हैं । spicule ट्रेंच रिज के खिलाफ धक्का दिया है सुनिश्चित करने के लिए कि इसकी धुरी खाई किनारों के लिए सीधा है । (D) किसी spicule की एक micrograph जो प्रोटोकॉल के चरण ३.४ में वर्णित निरीक्षण कार्यविधि को पास करती है, जो यह निर्धारित करने के तरीके का वर्णन करती है कि spicule अनुभाग क्षतिग्रस्त है और उसे छोड़ दिया जाना चाहिए । (E) एक spicule की एक micrograph कई दरारें और सिलिका परतों के लापता बड़े वर्गों है कि निरीक्षण प्रक्रिया प्रोटोकॉल के चरण ३.४ में वर्णित विफल होगा युक्त । स्केल पट्टियां = २५० µm (C), १०० µm (D), और १०० µm (E) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Protocol
1. विधानसभा और संरेखण एक ब्रैकट चुनें जिसका कड़ा इरादा प्रयोग के लिए उपयुक्त है । एल. पी. #4 का उपयोग कर ब्रैकट को अनुलग्न करें-४० सॉकेट सिर कैप शिकंजा (SHCSs) (see चित्रा ३ अ ). एल. प?…
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल के कई कदम है कि बलों और विस्थापन सही मापा जाता है यह सुनिश्चित करने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं । जबकि इन महत्वपूर्ण कदम के कुछ सभी तीन सूत्री झुकने परीक्षण के लिए सार्वभौमिक हैं, दूसरो…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था [सामग्री और संरचनाओं कार्यक्रम के यांत्रिकी, अनुदान संख्या १५६२६५६]; और अमेरिकी सोसायटी ऑफ मैकेनिकल इंजीनियर्स [Haythornthwaite यंग जांचकर्ता पुरस्कार] ।
Materials
| TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard | TMC | 63-563 | Isolation Table |
| Diffeential Screw Adjuster | Thorlabs | DAS110 | For stage leveling plate |
| 1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations | Thorlabs | 150-801ME | For stage leveling plate |
| Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes | Thorlabs | PT102 | For microscope mount |
| 1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | DT25 | For microscope mount |
| 1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | PT1B | For microscope mount |
| 12" Length, Dovetail Optical Rail | Edmund Optics | 54-401 | For microscope mount |
| 2.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-404 | For microscope mount |
| 0.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-403 | For microscope mount |
| InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 | Edmund Optics | 57-788 | Microscope component |
| Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube | Edmund Optics | 56-125 | Microscope component |
| Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube | Edmund Optics | 56-126 | Microscope component |
| Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) | Edmund Optics | 53-787 | Microscope component |
| 5X Infinity Achrovid Microscope Objective | Edmund Optics | 55-790 | Microscope component |
| 0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 | Edmund Optics | 38-944 | Microscope component |
| ¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide | Edmund Optics | 42-347 | Microscope component |
| 115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder | Edmund Optics | 55-718 | Microscope component |
| Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera | Edmund Optics | 88-452 | Microscope component |
| Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike | Edmund Optics | 68-586 | Microscope component |
| 1/4" Travel Single Axis Translation Stage | Thorlabs | MS1S | FODS micrometer |
| Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor | Philtec | D20 | FODS |
| 30V, 3A DC Power Supply | Agilent | U8001A | Power supply for DAQ and FODS |
| 14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ | National Instruments | USB-6009 | DAQ for FODS |
| Three Axis Motorized Translation Stage | Thorlabs | Thorlabs T25 XYZ-E/M | Translation stage |
| T-Cube DC Servo Motor Controller | Thorlabs | TDC001 | Motor controller for stage |
| T-Cube Power Supply | Thorlabs | TPS001 | Power supply for motor controller |
| National Instruments LabVIEW (2013 SP1) | National Instruments | Used for running software | |
| National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) | National Instruments | Used for running software | |
| Nikon Eclipse Ci-POL Main Body | MVI | MDA96000 | Polarized light microscope |
| Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider | MVI | MDB45305 | Polarized light microscope |
| Nikon Dia-Polarizer | MVI | MDN11920 | Polarized light microscope |
| Power Cord – 7'6" | MVI | 79035 | Polarized light microscope |
| Nikon P-Amh Mechanical Stage | MVI | MDC45000 | Polarized light microscope |
| Nikon Lwd Achromat Condenser | MVI | MBL16100 | Polarized light microscope |
| Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD | MVI | MBP60125 | Polarized light microscope |
| Nikon C-TF Trinocular Tube F | MVI | MBB93100 | Polarized light microscope |
| Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC | MVI | MAK10110 | Polarized light microscope |
| Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective | MVI | MUE42100 | Polarized light microscope |
| Venus Flower Basket Sponge | Denis Brand | N/A | Sponge skeleton |
| 3.5X Headband Flip-Up Magnifier | McMaster Carr | 1490T5 | Used for spicule sectioning |
| Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> | Ted Pella | 16011 | Used for load point mirror |
| Low Lint Tapered Tip Cotton Swab | McMaster Carr | 71035T31 | Used for cleaning LP mirror |
| Rubber grip precision knife | McMaster Carr | 35575A68 | Used for sectioning spicules |
| Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm | Ted Pella | 260409 | Used for sectioning spicules |
| Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L | Ted Pella | 11806 | Used for handling spicules |
| PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish | Ted Pella | 5367-5NM | Used for handling spicules |
| Dual Axis Linear Scale Micrometer | Edmund Optics | 58-608 | Used for calibrating the microscopes |
| FLEX-A-TOP FT-38 CAS | ESD Plastic Containers | FT-38-CAS | Used for storing spicules |
| Plastic Vial Bullseye Level | McMaster Carr | 2147A11 | Used for leveling the stage |
| Analytical Balance | Mettler Toledo | MS105DU | Used to mass calibration weights |
Riferimenti
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