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Résumé

Nous présentons un protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur les fibres d’échelle submillimétrique en utilisant un dispositif mécanique sur mesure. L’appareil permet de mesurer des forces allant de 20 µN jusqu'à 10 N et peut donc accueillir une variété de tailles de fibres.

Résumé

Beaucoup de charge portant des structures biologiques (LBBSs) — comme le rachis des plumes et des spicules — sont de petite taille (< 1 mm) mais pas microscopiques. Mesurer le comportement en flexion de ces LBBSs est important pour comprendre les origines de leurs fonctions mécaniques remarquables.

Les auteurs décrivent un protocole pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les capacités de la force et le déplacement peuvent être facilement ajustées pour différentes LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’un microscope à force atomique. À savoir, la force est appliquée au LBBS par un point de charge qui est attaché à l’extrémité du bras de levier. Le déplacement de point de charge est mesuré par un capteur de déplacement optique de fibre et transformé en une force à l’aide de la rigidité mesurée en porte-à-faux. Gamme de force de l’appareil peut être réglé à l’aide de leviers de raideurs différentes.

Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum. Les éléments squelettiques — appelées spicules — sont des fibres de silice qui sont environ de 50 µm de diamètre. Nous décrivons les procédures pour l’étalonnage de l’appareil mécanique, les spicules de montage sur un appareil de flexion trois points avec une envergure de mm ≈1.3, et effectuer une flexion test. La force exercée sur le spicule et sa déformation à l’emplacement de la force appliquée sont mesurés.

Introduction

En étudiant les architectures des porteurs de structures biologiques (LBBSs), comme shell et osseuse, ingénieurs ont mis au point de nouveaux matériaux composites qui sont forts et durs 1. Il a été démontré que les propriétés mécaniques remarquables de LBBSs et de leurs homologues de bio-inspirés sont liées à leurs architectures internes complexes 2. Cependant, les relations entre les architectures LBBS et propriétés mécaniques ne sont pas totalement comprises. Mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est la première étape pour comprendre comment son architecture améliore ses propriétés mécaniques.

Cependant, il est important que le type de test utilisé pour mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est compatible avec sa fonction mécanique. Par exemple, étant donné que les plumes doivent supporter des charges aérodynamiques, la fonction principale d’un rachis de la plume doit fournir la rigidité en flexion 3. Par conséquent, un essai de flexion est préférable à un essai de tension uniaxiaux pour mesurer sa réponse mécanique. En fait, beaucoup de LBBSs — comme le rachis des plumes 3, herbe tiges 4et spicules 5,6,7,8— principalement déformer en pliant. C’est parce que ces LBBSs sont minces —c'est-à-dire, leur longueur est beaucoup plus grande que leur largeur ou profondeur. Toutefois, effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs est difficile car les forces et les déplacements qu’ils peuvent supporter avant d’échouer varient de 10-2 à 102 N et 10-4 à 10-3 m, respectivement 3 , 4 , 5 , 7 , 8. en conséquence, le dispositif utilisé pour effectuer ces essais mécaniques devrait avoir force et déplacement des résolutions de ≈10-5 N et ≈10-7 m (soit 0,1 % d’une force maximale mesurable et le déplacement de la sonde), respectivement.

Disponible dans le commerce à grande échelle, des systèmes de tests mécaniques généralement ne peuvent mesurer forces et déplacements avec cette résolution. Tandis que la force atomique axée sur le microscope 9,10 ou microélectromécaniques axée sur les systèmes 11 dispositifs d’essai ont une résolution suffisante, la force maximale (déplacement respectif), ils peuvent mesurer est inférieure à la force maximale (déplacement respectif) qui résiste à la LBBS. Par conséquent, pour effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs, les ingénieurs et les scientifiques doit compter sur mesure mécanique test périphériques 5,7,12,13. Le principal avantage de ces dispositifs sur mesure, c’est qu’elles peuvent accueillir de grandes plages de forces et de déplacements. Cependant, la construction et l’exploitation de ces appareils n'est pas bien documentée dans la littérature.

Un protocole est décrit pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Dessins techniques, y compris toutes les dimensions, les composants de l’appareil d’essai mécanique sont fournis dans les documents supplémentaires. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les plages de force et de déplacement peuvent être facilement ajustées pour convenir à différents LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’une microscopie de force atomique 9. Dans ce dispositif, un échantillon est placé dans une tranchée coupée dans une plaque d’acier inoxydable (voir Figure 1A-C). La durée de la tranchée est mesurée à partir de photographies au microscope optiques à 1278 ± 3 µm (moyenne ± écart-type ; n = 10). Les bords de la tranchée prend en charge l’échantillon au cours d’un essai de flexion (voir Figure 1et D). Cette étape de l’échantillon est attachée à un trois axes de positionnement et placée sous une cale en aluminium de sorte que le coin se situe à mi-chemin toutes les étapes de la tranchée (voir Figure 1C). En déplaçant la scène dans le figure-introduction-4881 direction (voir Figure 1 aet C), le spécimen est poussé dans la cale provoquant le spécimen à plier.

Nous nous référons à la cale sous la pointe de point de charge (LPT) et le composant de l’appareil qui contient la cale sous le point de charge (LP). Le LP est fixé à l’extrémité du bras de levier dont déplacement est mesurée par un capteur de déplacement optique de fibre (DOM). Le FODS émet des rayons infrarouges qui se reflète sur un miroir situé sur la surface supérieure de la LP (voir Figure 1B) et reçues par une fibre optique dans les DOM. Un morceau carré de ≈5 mm d’une plaquette de silicium poli est utilisé comme le miroir de LP et est apposé sur le LP avec de l’epoxy. Le FODS mesure déplacements en comparant l’intensité de la lumière émise et réfléchie. La rigidité en porte-à-faux et le déplacement sont utilisés pour calculer la force, figure-introduction-5924 , expérimentés par la cale due à son interaction avec l’échantillon. Le déplacement en porte-à-faux est également utilisé pour calculer le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la cale, figure-introduction-6205 . Capteurs de force basé sur cantilever ont été utilisés dans un certain nombre de micro - et macro-scale mécaniques essais études 10,11,12,13,14. La conception spécifique présentée ici est une adaptation d’un appareil mécanique pour effectuer des expériences de contact adhésif 14. Un design similaire a également été utilisé dans un micro-tribomètre commercialement disponible 15,16.

figure-introduction-6971
Figure 1 : vue d’ensemble de l’appareil de mesure mécanique. (A), A rendu de conception assistée par ordinateur de l’appareil. Les composantes de la scène sont surlignées en vert. La force de détection sous-assemblage (cantilever, point de charge (LP)) est surlignée en rouge. (B) A amplifié vue de (A). Le miroir LP est représentée en bleu sur le dessus de la LP sous le FODS et étiqueté l/min. (C) le système de coordonnées utilisé pour décrire le mouvement de l’étape de traduction. Par nivellement thétape e étape 1.9 du protocole, le figure-introduction-7680 direction faite pour coïncider avec le vecteur normal à la surface du miroir LP. (D), un schéma de la configuration de flexion trois points montrant la déformation du spicule et les déplacements mesurés figure-introduction-7966 , et figure-introduction-8045 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum6,7. Squelette de cette éponge est un assemblage de filaments, appelées spicules (voir la Figure 2A). Les spicules ≈50 µm d’épaisseur et sont composées principalement de silice 6. Axée sur les Biosilica spicules sont trouvent dans les éponges appartenant aux classes Demospongiae, Homoscleromorpha et Hexactinellida. Éponges, comme E. aspergillum, qui appartiennent à la classe Hexactinellida sont également connus comme « les éponges de verre ». Alors que les spicules d’éponges de verre sont composées essentiellement de silice, il a été démontré que la silice contienne souvent une matrice organique composée de soit collagène 17,18 ou chitine 19,20 , 21. cette matrice organique joue un rôle important dans la silice de 18,biomineralization20. En outre, dans certains spicules la matrice organique sert aussi comme un modèle pour la biominéralisation du calcium 22. En plus d’être distribué au sein de la silice, la matrice organique peut aussi former des couches distinctes qui partitionnent la silice de spicule en lamelles concentriques, cylindrique 6,23. Il a été démontré que cette architecture concentrique, lamellaire peut affecter déformation comportement 6,7,8,24,25,26 des spicules . Par conséquent, les propriétés mécaniques des spicules sont déterminées par une combinaison de leur composition chimique (i.e., la structure chimique du composite silice-protéine) et leur architecture 27. La structure chimique et l’architecture de verre les spicules des éponges sont toujours sous enquête 24,28,29.

La plupart des spicules dans E. aspergillum est cimentée pour former une cage squelette rigide. Toutefois, à la base du squelette il y a une touffe de très longtemps les spicules (≈10 cm) appelés les spicules d’ancrage (voir la Figure 2A). Les auteurs décrivent le protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur une petite section des spicules d’ancrage.

À l' étape 1 du protocole, la procédure d’assemblage et d’aligner les composants de l’appareil d’essai mécanique sur mesure est décrite. Étapes 2 et 4 du protocole fournissent des instructions pour générer données d’étalonnage utilisées pour calculer les forces et les déplacements dans l’essai de flexion. Les mesures prises pour préparer une section d’un spicule et monter sur le montage d’essai sont décrits à l’étape 3. La procédure des essais de flexion sur la section de spicule est décrite à l’étape 5. Enfin, dans la section Résultats représentant les données d’étalonnage obtenues aux étapes 2 et 4 sont utilisées ainsi que les données de test flexion obtenues à l’étape 5 pour calculer figure-introduction-12119 et figure-introduction-12188 .

figure-introduction-12323
Figure 2 : Procédure pour sectionnement et inspection des spicules aspergillum e. (A) le squelette d’e. aspergillum. La touffe de spicules d’ancrage autoportant est montrée à la base du squelette. La barre d’échelle est de ~ 25 mm. (B) un spicule seule ancre est maintenu en place sur une lame de microscope avec un pinceau de martre #00000 rouge et sectionnés à l’aide d’une lame de rasoir. La barre d’échelle est ~ 12 mm (C) une section d’un spicule aspergillum E. placée dans la tranchée sur la scène de l’échantillon. Les bords de la tranchée et la crête de la tranchée sont surlignées en bleu sarcelle et orange, respectivement. Le spicule est poussé contre la crête de tranchée à faire en sorte que son axe est perpendiculaire sur les bords de la tranchée. (D) une micrographie d’un spicule qui passe la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole, qui explique comment déterminer si une section de spicule est endommagée et doit être jetée. (E), une micrographie d’un spicule contenant plusieurs fissures et manque de larges pans des couches de silice qui ne permettrait pas la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole. Barreaux de l’échelle = 250 µm (C), 100 µm (D) et 100 µm (E). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Protocole

1. montage et alignement

  1. choisir un cantilever dont la raideur est appropriée pour l’expérience envisagée. Fixez le LP sur le levier à l’aide de #4-40 vis à tête (SHCSs) (voir la Figure 3 A). Prenez soin de pas plastiquement déformer les bras cantilever pendant la fixation de la LP.

figure-protocol-437
figure 3 : procédure pour assembler le cantilever force sensor et mesure sa rigidité. (A) la charge point (LP) est attaché à la luge (C), avec la pointe de point de charge (LPT) pointée vers le haut. (B), le cantilever et sous-assemblage LP est fixé à la plaque en porte-à-faux, notée CP. La poche de retrait de la plaque en porte-à-faux est montrée sous les bras en porte-à-faux. (C), la plaque en porte-à-faux est attaché à la face inférieure du cadre afin que le côté de la plaque figure à (B) fait face à la figure-protocol-1123 direction. Le micromètre FODS est dénoté comme FM (D), le crochet de fil et poids d’étalonnage utilisées à l' étape 2 du protocole sont présentés suspendus à partir du trou dans la turbine BP. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. appliquer quelques gouttes du propanol-2 à un coton-tige gratuit de peluches et essuyer la surface du miroir LP. Inspecter le miroir des rayures et remplacer le miroir s’il est endommagé.
  2. Visser le levier sur la planchette de cantilever avec #6-32 SHCSs du côté de la plaque contenant la poche encastrée avec le LPT alors à l’opposé de la plaque (voir Figure 3 B). Insérer le 1/8 " tiges d’alignement dans le porte-à-faux et plaque, serrer les vis et retirez les tiges d’alignement.
  3. Se rétracter le FODS autant que possible en tournant le FODS micromètre dans le sens anti-horaire (voir Figure 3 C). Visser la plaque en porte-à-faux à l’armature à l’aide de #6-32 SHCSs avec le LPT pointant dans la figure-protocol-2434 direction (voir Figure 1 A). Insérer le 1/8 " tiges d’alignement à travers la plaque de cadre et en porte-à-faux, serrer les vis et retirez les tiges d’alignement (voir Figure 3 C).
  4. Allumez la puissance d’alimentation et régler la tension à 12,00 V en mode tension constante à l’aide de la molette de réglage. Puis allumez la tension de sortie et confirmer que le courant affiché sur l’alimentation ' s LCD écran est d’environ 60-70 mA. Attendez au moins une heure pour le tirage au sort actuel atteindre l’état d’équilibre afin de réduire l’incertitude de mesure de tension.
  5. Ouvrez et exécutez le programme Basic_Data (consultez fichiers de Code supplémentaires). Tourner le micromètre FODS (voir C de la Figure 3 et Figure 4 A) vers la droite pour déplacer les FODS vers le LP miroir jusqu'à ce que la tension de sortie affichée sur le graphique d’interface utilisateur atteint une valeur maximale.
    1. Ajuster le gain de la DOM en tournant l’ensemble vis sur le côté du boîtier FODS afin que la tension de sortie est 5.0 V. tour le micromètre FODS en sens anti-horaire pour rétracter le FODS.
  6. Allumer l’éclairage du microscope et ajustez la position de microscope et se concentrer à l’aide des deux étapes de traduction du manuel afin que le LPT est centré dans le champ de vision. Arrêter le programme de Basic_Data en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  7. Ouvrez le logiciel d’interface utilisateur contrôleur de moteur. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la figure-protocol-4249 -contrôleur de moteur axe de passer l’étape à la course maximum admissible dans le < img alt = « Équation 6 » src = « / files/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg » / > direction et ensemble la position de départ en cliquant sur le ' maison ' bouton dans l’interface utilisateur. Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la figure-protocol-4686-contrôleur de moteur axe de passer l’étape à la course maximum admissible dans la figure-protocol-4836 direction et l’ensemble du poste d’attache. Fermez le logiciel d’interface utilisateur.
  8. Siège le stade sur la platine de base (voir la Figure 4 A) ainsi que les conseils des chefs micromètre sur la mise à niveau sur plaque de repos dans les mottes de gazon plaque de base étape. Placez un niveau à bulle sur la table de l’isolement et de régler la pression dans chacun de la table ' jambes s en tournant la valve bras vis à oreilles, afin que la surface soit plane.
    1. Déplacer le niveau à bulle vers le haut de la scène plaque de nivellement et d’ajuster les micromètres afin qu’il soit aussi niveau. Notez la position du micromètre et supprimer l’étape de la plaque de fond de scène. Remarque : Le protocole peut être suspendu ici.

figure-protocol-5797
figure 4 : le dispositif d’essai mécanique comme assemblé en étapes 1,9 et 3.7 du protocole. (A), le stade de l’échantillon (SS), est attachée à l’étape de traduction (TS) et est mis à niveau en utilisant les micromètres sur la scène de nivellement plaque (SLP), qui sont assis sur la plaque de fond de scène (SBP). La platine de base est attachée à la maquette optique de la table de l’isolement. Le cantilever (C) ; plaque en porte-à-faux (CP) ; et capteur de déplacement optique de fibre (DOM) composent la force de système de détection. (B) la charge point (LP) est attaché à la luge et la pointe de point de charge (LPT) est positionnée sur le spicule sur la scène de l’échantillon. Au cours d’un essai de flexion, le déplacement de la LP est mesuré en utilisant le DOM. La distance initiale entre les DOM et le miroir LP est contrôlée par le micromètre FODS (FM), montré en (A). (C) une micrographie du spicule pose dans l’ensemble de la tranchée dans la scène de l’échantillon, placée sous la turbine BP. Echelle = 250 µm (C). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. mesure de rigidité cantilever

  1. exécuter le programme Basic_Data et le micromètre FODS dans le sens horaire jusqu'à ce que la tension de sortie est environ 4 V. arrêt le tour du programme en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  2. Mesurer la masse des poids crochet et étalonnage fil à l’aide d’une balance analytique.
  3. Ouvrir le programme Cantilever_Calibration (consultez fichiers de Code supplémentaires) et entrez le nom de fichier souhaité pour la force de calibration des fichier de sortie dans la zone de texte dans l’interface utilisateur.
  4. Exécuter le programme Cantilever_Calibration et cliquez sur ' OK ' lorsque vous êtes invité à entrer dans la masse de la première masse de calibrage. Attendez que la tension de sortie s’affichée dans le graphique d’interface utilisateur pour arrêter l’oscillation et cliquez sur le vert ' tension stabilisée ' bouton pour prendre une mesure de tension.
  5. Utilisation petites pinces pour accrocher le fil crochet du trou dans la turbine BP afin que le crochet est à l’opposé de l’objectif de microscope (voir Figure 3 D). Utilisez la pince à épiler pour amortir la vibration du levier causée par l’ajout de l’hameçon.
    1. Indiquer la masse du crochet en grammes dans la boîte de dialogue, puis cliquez sur ' OK '. Comme dans l’étape précédente, attendez que la tension de sortie arrêter l’oscillation avant de cliquer sur la ' tension stabilisée ' bouton.
  6. Utilisation petites pinces pour accrocher la première épaisseur du fil crochet et répéter le processus de prise de tension comme décrit à l’étape précédente. Répétez cette étape jusqu'à ce que tous les poids de calibrage ont été suspendus ou la tension de sortie est inférieure à 1,8 V. À ce stade, cliquez sur ' annuler ' dans la boîte de dialogue pour sortir du programme Cantilever_Calibration.
  7. Tourner le micromètre FODS en sens anti-horaire pour rétracter le FODS. Retirer soigneusement le crochet et le poids de la turbine BP.
    Remarque : Le fichier de sortie de calibrage de force est une liste de délimité par des tabulations de la force exercée par les poids de calibrage, la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est traité afin de mesurer la rigidité en porte-à-faux.

3. Préparation des échantillons

  1. usure nitrile gants lorsque vous manipulez aspergillum E. éponge squelettes et stocker les squelettes dans des récipients fermés lorsqu’ils ne sont pas manipulés.
    ATTENTION : Puisque les spicules sont composées essentiellement de silice, des fragments brisés spicule sont pointues et peuvent s’incruster dans la peau, conduisant à une irritation.
  2. Utiliser une paire de pinces pour saisir un spicule ancre par son extrémité distale et tirez dessus pour le retirer du squelette (voir la Figure 2 A). Déposer le spicule sur une lame de microscope propre.
  3. Tenir le spicule contre la diapositive près du point médian sur toute sa longueur à l’aide d’une brosse de sable #00000 rouge. Couper un ≈ section de 4 mm du spicule en enfonçant une lame de rasoir contre le spicule de chaque côté de la brosse perpendiculaire à la lame de surface (voir la Figure 2 B). Ignorer les sections grand spicule distale et proximale et garder la ≈ section de 4 mm.
  4. Inspecter la section de spicule de 4 mm à l’aide d’un microscope à lumière polarisé à un grossissement de 10 x (voir Figure 2 C-E). Jeter la section spicule et retournez à l’étape 3.2, s’il est absent des grandes régions de couches de silice (voir Figure 2 E). Gérer les sections de spicule inspecté exclusivement à l’aide de la brosse de sable #00000 rouge à éviter l’introduction de nouveaux dommages à leurs couches de silice.
  5. Nettoyer aucun fragment de spicules ou d’autres particules de la surface de la scène de l’échantillon avec une brosse ou l’air comprimé. Ensuite, appliquez quelques gouttes de propanol-2 à un coton-tige gratuit de peluches et essuyer la scène de l’échantillon. Éviter tout contact avec les zones de la scène, recouvert de peinture non réfléchissante. Remarque : La peinture est utilisée pour réduire le nombre de réflexions spéculaires dans les images prises pendant le test de flexion
  6. Transfert de la section de spicules à l’étape de l’échantillon. Placer la section de spicules dans l’ensemble de la tranchée avec la durée souhaitée pour l’essai de flexion et poussez-la doucement la figure-protocol-12205 direction contre la crête de la tranchée. S’assurer que le spicule est perpendiculaire sur les bords de la tranchée (voir Figure 2 C).
  7. De siège le stade sur la platine de base afin que les conseils des barreaux du micromètre reposent dans les mottes de gazon plaque de base étape. Si nécessaire, ajuster les micromètres sur la scène de nivellement plaque aux valeurs noté à l' étape 1.9 du protocole.

4. Tension-déplacement Interpolation fichier

  1. d’ouvrir le programme Bending_Test (consultez fichiers de Code supplémentaires). Définir la ' taille d’étape ' à 2 µm, ' déplacement maximal ' à 0,5 mm, ' butée basse tension ' à 1,5 V, et ' butée haute tension ' à 4.6 V en utilisant les zones de texte affichées dans l’interface utilisateur. Nom
    1. sélectionnez les répertoires d’images et de données désirés et le fichier de sortie en utilisant le texte des boîtes dans l’interface utilisateur. Définir le ' sauvegarder des images ' basculer dans l’interface utilisateur vers le bas et cliquez sur le bouton rectangulaire vert sous les mots ' différence de tension ' afin qu’il s’illumine.
  2. Exécuter le programme Bending_Test et attendre pour les interfaces de caméra et contrôleur de moteur initialiser.
  3. Allume l’illuminateur et régler la luminosité ainsi que la turbine BP est visible. Tourner le micromètre FODS vers la droite jusqu'à ce que la tension de sortie s’affichée dans le graphique d’interface utilisateur est ~1.7 V. Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la figure-protocol-14014-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène le figure-protocol-14131 sens jusqu'à ce que C’est ~ 1 cm au-dessous du LPT et le jeu de la figure-protocol-14266-position axe d’origine en cliquant sur le " maison " bouton.
  4. Utilisez les curseurs de potentiomètre sur le figure-protocol-14470- et figure-protocol-14542-contrôleurs de moteur axe sur la position de la turbine BP au centre de la bande en acier mince situé sur la scène de l’échantillon dans la figure-protocol-14752 direction de la tranchée. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la figure-protocol-14892-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène la figure-protocol-15009 direction jusqu’au stade se trouve à la loupe ' de champ de s.
  5. Utiliser le curseur du potentiomètre sur la figure-protocol-15198-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène la figure-protocol-15315 direction tout en Je regarde le graphique de tension de sortie à l’interface utilisateur. Déterminer la position approximative à laquelle le LPT entre en contact avec la scène ' surface de s par à la recherche d’un changement de tension avec plus de mouvement de la scène. Rétracter le stade environ 10 µm.
  6. Cliquez sur le bouton intitulé " Begin Test ". Lorsque vous êtes invité, entrez des valeurs de 0,003 V et 0,001 mm pour ' sensibilité au toucher ' et ' toucher au large de la taille de palier ', respectivement. Attendez que le critère à remplir.
    Remarque : Après ce point, ne retirez pas le stade de la platine de base jusqu'à la fin de l’essai de flexion afin d’assurer des mesures exactes de déplacement. Le fichier de sortie de tension-déplacement interpolation est une liste de délimité par des tabulations de la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures avec le figure-protocol-16331- position d’allure axe à chaque incrément de déplacement de phase. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est utilisé pour convertir des tensions de sortie mesurées FODS de déplacements de LP.

5. Essai de flexion

  1. ouvrir et exécuter le Basic_Data programme et tourner le micromètre FODS dans le sens antihoraire jusqu'à ce que la tension de sortie affichée sur le graphique d’interface utilisateur est d’environ 3 c. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la < img Alt = « Équation 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg » / > -contrôleur de moteur axe sur la position de la turbine BP entre les bords de la tranchée ci-dessus le spicule (voir Figure 4 C). Curseur
    1. utilisation du potentiomètre sur la figure-protocol-17288-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène le figure-protocol-17405 sens jusqu'à ce que la turbine BP est en dessous de la surface supérieure de la crête de la tranchée (voir Figure 5 A). Enfin, utiliser le curseur du potentiomètre sur la figure-protocol-17692-contrôleur de moteur axe de mettre la surface avant de la crête de la tranchée dans le foyer afin que toute la largeur de la LP est entre les bords de la crête de la tranchée. Arrêter le programme de Basic_Data en cliquant sur le ' Stop ' bouton.
  2. Ouvrir et exécuter le programme Center_LoadPoint (voir le fichier de Code supplémentaire). Utilisation du figure-protocol-18179-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que la turbine BP est presque en contact avec le bord de la tranchée droite. Cliquez sur le " bord de trouver " bouton.
  3. Lorsque vous êtes invité, utilisez le figure-protocol-18480-contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que la turbine BP est presque en contact avec le bord gauche de tranchée. Cliquez sur le " bord de trouver " bouton. Attendez que le programme positionner la mi-chemin LPT tout au long de la tranchée (voir Figure 5 B).
    Remarque : Après ce point, il est important de ne pas ajuster la figure-protocol-18952-contrôleur de moteur axe comme cela se traduira par un mauvais alignement de la turbine BP.
  4. D’ouvrir le programme Bending_Test. Définissez la taille de l’étape à 2 µm, déplacement maximal de 0,5 mm, butée basse tension de 1,5 V et arrêter de haute tension de 4,5 V en utilisant les zones de texte dans l’interface utilisateur. Nom
    1. sélectionnez les répertoires d’images et de données désirés et le fichier de sortie en utilisant le texte des boîtes dans l’interface utilisateur. Définissez le ' sauvegarder des images ' basculer dans l’interface utilisateur vers le haut, puis cliquez sur le bouton rectangulaire vert dessous mots ' différence de tension ' afin qu’il ne s’allume pas.
  5. Exécuter le programme Bending_Test et attendre pour les interfaces de caméra et contrôleur de moteur initialiser.
  6. Déplacer la scène le figure-protocol-19957 direction en utilisant le curseur du potentiomètre sur le contrôleur de moteur jusqu'à ce que le spicule se trouve dans le microscope ' s champ de vision. Utilisez le curseur du potentiomètre sur la figure-protocol-20245 -contrôleur de moteur axe de déplacer la scène jusqu'à ce que le spicule relève de la turbine BP.
    1. Réglez les boutons de mise au point du microscope pour que le spicule est mise au point à l’utilisateur de l’interface (voir Figure 4 C). Tournez le micromètre FODS en sens antihoraire jusqu'à ce que la tension de sortie soit environ 1,8 V.
  7. Utiliser le curseur du potentiomètre sur le contrôleur de moteur axe z pour déplacer la scène la figure-protocol-20846 direction tout en regardant le graphique de tension de sortie à l’interface utilisateur. Déterminer la position approximative à laquelle le LPT contacte le spicule en recherchant un changement de tension par de nouveaux mouvements de la scène. Rétracter le stade environ 50 µm.
  8. Click " commencer tester " et attendre que l’essai de flexion est terminée et l’étape revient à la figure-protocol-21309-position d’origine axe.
    Remarque : La scène se déplacera incréments de 2 µm (comme il est prescrit à l' étape 5.4 du protocole) la figure-protocol-21532 direction, pliant le spicule (voir Figure 5 C) jusqu'à ce que parmi plusieurs conditions d’arrêt est rencontré. Les conditions d’arrêt sont : un) le déplacement de phase maximale de 0,5 mm est atteinte ; b) les sauts de spicules et le programme détecte une forte baisse dans la tension de sortie FODS ; ou c) la limite de la haute tension de 4,5 V est atteinte. Pour mettre fin à condition (a), l’utilisateur sera invité si ils souhaitent mettre fin à l’essai ou de substituer la valeur précédente. Lorsque ' substituer ' est sélectionné, l’utilisateur aura la possibilité d’augmenter la limite de déplacement de phase ou l’inversion de l’étape de déplacement stade afin de poursuivre la collecte de données comme le spicule est déchargé. La mise en scène déplacement incrément peut également être modifiée en cliquant sur le " inverse de chargement " bouton à tout moment pendant l’essai. Le fichier de sortie de test de flexion a la même structure que le fichier de sortie d’interpolation de tension-déplacement généré à l' étape 4.6 du protocole. Autrement dit, c’est une liste de délimité par des tabulations de la moyenne de 100 FODS sortie tension lectures et l’écart de ces lectures avec le figure-protocol-22879-position allure axe à chaque étape incrément de déplacement. La section de Résultats représentant décrit comment ce fichier de données est utilisé avec le fichier d’interpolation de tension-déplacement pour calculer les déplacements en porte-à-faux et les déplacements de la scène au cours de l’essai de flexion. Par la suite, la rigidité en porte-à-faux est utilisée pour calculer la force exercée par le LPT sur le spicule.
  9. Après que le test est terminé, tournez le micromètre FODS en sens antihoraire jusqu'à ce que le DOM soit au moins 5 mm du miroir de LPT. Ensuite, retirer soigneusement l’étape de la plaque de fond de scène.

figure-protocol-23676
figure 5 : procédure d’alignement de la turbine BP avec la tranchée ' s mi travée et effectuer un test de flexion (A) The LPT est placé au-dessous de la surface supérieure de la crête de la tranchée à la fin de l' étape 5.1 du protocole, mais il n’est pas encore positionné au milieu span. (B), la position de la turbine BP après le centrage procédure décrite aux étapes 5.2 et 5.3 du protocole sont terminés. (C) une micrographie d’un spicule prise au cours de l’essai de flexion. Le déplacement de la section transversale de spicule sous la turbine BP, figure-protocol-24443, est marquée de façon schématique. Barreaux de l’échelle = 250 µm (A-C). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Résultats

Les sorties plus fondamentales de tous les essais mécaniques sont l’ampleur de la force exercée sur l’échantillon et le déplacement à l’endroit où la force est appliquée. Dans le cas d’un essai de flexion trois points, l’objectif est d’obtenir la magnitude de la force appliquée par la turbine BP, figure-results-356 et le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la turbine BP dans le

Discussion

Plusieurs étapes du protocole sont particulièrement importants de veiller à ce que les forces et les déplacements sont mesurés avec précision. Alors que certaines de ces étapes critiques sont universels à tous les essais de flexion trois points, d’autres sont propres à ce dispositif d’essai mécanique.

À l' étape 1.2 du protocole le miroir LP est nettoyé et inspecté à rayures et à l' étape 1.6 du protocole, le gain de Dom est réglé. Il es...

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation [mécanique des matériaux et Structures de programme, octroyer le numéro 1562656] ; et l’American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboardTMC63-563Isolation Table
Diffeential Screw AdjusterThorlabsDAS110For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" GraduationsThorlabs150-801MEFor stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting HolesThorlabsPT102For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 TapsThorlabsDT25For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 TapsThorlabsPT1BFor microscope mount
12" Length, Dovetail Optical RailEdmund Optics54-401For microscope mount
2.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-404For microscope mount
0.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-403For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20Edmund Optics57-788Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTubeEdmund Optics56-125Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)Edmund Optics53-787Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope ObjectiveEdmund Optics55-790Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6Edmund Optics38-944Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light GuideEdmund Optics42-347Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and HolderEdmund Optics55-718Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS CameraEdmund Optics88-452Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation StageThorlabsMS1SFODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement SensorPhiltecD20FODS
30V, 3A DC Power SupplyAgilentU8001APower supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQNational InstrumentsUSB-6009DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation StageThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/MTranslation stage
T-Cube DC Servo Motor ControllerThorlabsTDC001Motor controller for stage
T-Cube Power SupplyThorlabsTPS001Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsUsed for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National InstrumentsUsed for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer SliderMVIMDB45305Polarized light microscope
Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920Polarized light microscope
Power Cord - 7'6"MVI79035Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical StageMVIMDC45000Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat CondenserMVIMBL16100Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube FMVIMBB93100Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NCMVIMAK10110Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiveMVIMUE42100Polarized light microscope
Venus Flower Basket SpongeDenis BrandN/ASponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up MagnifierMcMaster Carr1490T5Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100>Ted Pella16011Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton SwabMcMaster Carr71035T31Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knifeMcMaster Carr35575A68Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm LTed Pella11806Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finishTed Pella5367-5NMUsed for handling spicules
Dual Axis Linear Scale MicrometerEdmund Optics58-608Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD Plastic ContainersFT-38-CASUsed for storing spicules
Plastic Vial Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Used for leveling the stage
Analytical BalanceMettler ToledoMS105DUUsed to mass calibration weights

Références

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