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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Vi presentiamo un protocollo per l'esecuzione di prove di flessione di tre punti su fibre di scala sub-millimetrica utilizzando un dispositivo di prova meccanico su misura. Il dispositivo può misurare le forze che vanno da 20 µN fino a 10 N e può quindi ospitare una varietà di formati di fibra.

Abstract

Molti portanti strutture biologiche (LBBSs) — ad esempio rachidi piuma e spicole — sono piccole (< 1 mm) ma non microscopiche. Il comportamento flessionale di questi LBBSs di misurazione è importante per comprendere le origini della loro notevole funzioni meccaniche.

Descriviamo un protocollo per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10-5 101 N e cilindrate da 10-7 a 10-2 m. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le capacità di forza e spostamento possono essere facilmente regolate per diversi LBBSs. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un microscopio a forza atomica. Vale a dire, la forza è applicata per il LBBS da un punto di carico che è fissato all'estremità di una trave a mensola. Lo spostamento del punto di carico è misurato da un sensore di spostamento ottico di fibra e convertito in una forza utilizzando la rigidezza misurata a sbalzo. Gamma di forza del dispositivo può essere regolata utilizzando cantilever di differenti rigidezze.

Le funzionalità del dispositivo sono dimostrate eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum. Gli elementi scheletrici — conosciuto come spicules — sono fibre di silice che sono circa 50 µm di diametro. Descriviamo le procedure per calibrare il dispositivo di prova meccanico, le spicole di montaggio su un dispositivo di piegatura di tre punti con una portata di mm ≈1.3 ed esecuzione di un bending test. La forza applicata alla sua deviazione nella posizione della forza applicata e la spicula sono misurati.

Introduzione

Studiando le architetture portanti strutture biologiche (LBBSs), come shell e dell'osso, gli ingegneri hanno sviluppato nuovi materiali compositi che sono sia forte e duro 1. È stato dimostrato che le notevoli proprietà meccaniche di LBBSs e le loro controparti di bio-ispirati sono legate alla loro intricati architetture interne 2. Tuttavia, le relazioni tra proprietà meccaniche e architetture LBBS completamente non sono capite. Misurando la risposta meccanica di un LBBS è il primo passo verso la comprensione di come la sua architettura migliora le proprietà meccaniche.

Tuttavia, è importante che il tipo di test utilizzato per misurare la risposta meccanica di un LBBS è coerenza con la sua funzione meccanica. Ad esempio, poiché le piume devono supportare carichi aerodinamici, la funzione primaria di un rachide di piuma è per fornire rigidità flessionale 3. Pertanto, una prova di flessione è preferibile a una prova di tensione uniassiale per misurare la risposta meccanica. In effetti, molti LBBSs — come piuma rachidi 3, erba nasce 4e spicole 5,6,7,8— principalmente di deformazione di flessione. Questo è perché questi LBBSs sono snella —cioè, la loro lunghezza è molto più di loro larghezza o profondità. Tuttavia, eseguendo prove di flessione su questi LBBSs è impegnativo, perché le forze e spostamenti che possono sopportare prima di guastarsi vanno da 10-2 a 102 N e 10-4 a 10-3 m, rispettivamente 3 , 4 , 5 , 7 , 8. di conseguenza, il dispositivo utilizzato per eseguire queste prove meccaniche dovrebbe avere forza e spostamento risoluzioni di â10-5 N e â10-7 m (cioè, 0,1% di forza massima misurabile e di spostamento del sensore), rispettivamente.

Commercialmente disponibile, grande scala, sistemi di prova meccaniche in genere non è possibile misurare le forze e spostamenti con questa risoluzione. Mentre la forza atomica basata su microscopio 9,10 o microelettromeccanici basati su sistemi 11 dispositivi di prova hanno risoluzione adeguata, la forza massima (rispettivo spostamento) possono misurare è più piccola il forza massima (rispettivo spostamento) che la LBBS in grado di sopportare. Pertanto, per eseguire prove di flessione su questi LBBSs, ingegneri e scienziati devono fare affidamento su Custom-Built meccanico test dispositivi 5,7,12,13. Il vantaggio principale di questi dispositivi su misura è che possono ospitare grandi intervalli di forze e spostamenti. Tuttavia, la costruzione e il funzionamento di questi dispositivi non è ben documentato nella letteratura.

Un protocollo è descritto per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10-5 101 N e cilindrate da 10-7 a 10-2 m. Disegni tecnici, tra cui tutte le dimensioni, dei componenti del dispositivo di prova meccanico sono forniti nel materiale supplementare. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le gamme di forza e spostamento possono essere facilmente adattate LBBSs diversi. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un di microscopio atomico della forza 9. In questo dispositivo, un campione viene inserito attraverso una trincea tagliata in una piastra in acciaio inox (Vedi Figura 1A-C). L'intervallo della trincea è misurata da Micrografie ottiche per essere 1278 ± 3 µm (media ± deviazione standard; n = 10). I bordi di trincea sostengono il provino durante una prova di flessione (Vedi Figura 1e D). Questa fase del campione viene attaccata ad una fase di traduzione di tre assi e posizionata sotto un cuneo di alluminio in modo che il cuneo è situato a metà strada attraverso arco di trincea (Vedi Figura 1C). Spostando il palco figure-introduction-4709 direzione (Vedi Figura 1Ae C), il campione viene spinto nel cuneo causando l'esemplare per piegare.

Ci riferiamo al cuneo come la punta del punto di carico (LPT) e il componente del dispositivo che contiene il cuneo come il punto di carico (LP). il LP è fissato all'estremità di una trave a mensola cui dislocamento è misurata da un sensore di spostamento ottica della fibra (FODS). Il FODS emette luce infrarossa che viene riflessa su uno specchio situato sulla superficie superiore del LP (Vedi Figura 1B) e ricevuto da una fibra ottica nella FODS. Un pezzo quadrato di mm ≈5 di un wafer di silicio lucido è usato come lo specchio di LP e viene apposto al LP mediante resina epossidica. Il FODS misura spostamenti confrontando l'intensità della luce emessa e riflessa. La rigidità a sbalzo e lo spostamento vengono utilizzati per calcolare la forza, figure-introduction-5749 , esperto di Cuneo a causa della sua interazione con il campione. Lo spostamento a sbalzo è utilizzato anche per calcolare lo spostamento della sezione trasversale del provino sotto il cuneo, figure-introduction-6013 . Sensori di forza basato su cantilever sono stati utilizzati in una serie di micro - e macro-scala meccanica test studi 10,11,12,13,14. Il design specifico qui presentato è adattato da un dispositivo meccanico di test utilizzato per l'esecuzione di esperimenti di contatto adesivo 14. Un design simile è stato utilizzato anche in un micro-tribometro commercialmente disponibili 15,16.

figure-introduction-6779
Figura 1: Panoramica del dispositivo di prova meccanico fuoriserie. (A) A rendering di progettazione assistita da elaboratore del dispositivo. I componenti di fase sono evidenziati in verde. La forza di rilevamento sottoassieme (sbalzo, punto di carico (LP)) è evidenziata in rosso. (B) una visualizzazione di (A) ingrandita. Lo specchio di LP è indicato in blu sulla superficie superiore del LP sotto il FODS ed è etichettato LPM. (C) il sistema di coordinate usato per descrivere il moto della fase di traduzione. Di livellamento thfase e nel passaggio 1,9 del protocollo, il figure-introduction-7527 direzione viene fatto coincidere con il vettore normale alla superficie dello specchio LP. (D) una schematica della configurazione di piegatura del tre-punto mostrando la deformazione del dello spicule e gli spostamenti misurati figure-introduction-7839 , e figure-introduction-7917 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Vengono illustrate le funzionalità del dispositivo eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum6,7. Lo scheletro di questa spugna è un assemblaggio di filamenti, chiamati spicole (Vedi Figura 2A). Le spicole sono ≈50 µm di spessore e sono composte principalmente da silice 6. Spicules basati su Biosilica si trovano in spugne appartenenti alle classi Demospongiae, Homosclerophorida e Hexactinellida. Spugne, come E. Aspersorio, che appartengono alla classe Hexactinellida sono noti anche come "vetro spugne.." Mentre le spicole di spugne di vetro sono composti principalmente di silice, è stato dimostrato che la silice contiene spesso una matrice organica composta sia collagene 17,18 o chitina 19,20 , 21. questa matrice organica svolge un ruolo importante in silice biomineralization 18,20. Inoltre, in alcune spicole matrice organica serve anche come un modello per la biomineralizzazione di calcio 22. Oltre a essere distribuito all'interno della silice, la matrice organica può anche formare strati distinti che la partizione di silice di spicula in lamelle concentriche, cilindrico 6,23. È stato dimostrato che questa architettura concentrica, lamellare può influenzare deformazione comportamento 6,7,8,24,25,26 degli spicules . Di conseguenza, proprietà meccaniche degli spicules sono determinati da una combinazione di loro chimica (cioè., la struttura chimica del composto di silice-proteina) e la loro architettura 27. La struttura chimica e l'architettura di spicole di spugna di vetro sono ancora sotto indagine 24,28,29.

La maggior parte di spicules in E. Aspersorio sono stata saldata insieme per formare una rigida gabbia scheletrica. Tuttavia, alla base dello scheletro c'è un ciuffo di molto lungo gli spicules (â10 cm) noto come le spicole di ancoraggio (Vedi Figura 2A). Descriviamo il protocollo per l'esecuzione di prove di flessione di tre punti su piccole sezioni delle spicole di ancoraggio.

Nel passaggio 1 del protocollo, è descritta la procedura per il montaggio e allineamento dei componenti del dispositivo test meccanico su misura. Passaggi 2 e 4 del protocollo forniscono istruzioni per generare i dati di calibrazione utilizzati per calcolare le forze e spostamenti nella prova di flessione. I passi compiuti per preparare una sezione di una spicula e montarlo al supporto di prova descritti nel passaggio 3. La procedura per lo svolgimento della prova di flessione sulla sezione dello spicule è descritta nel passaggio 5. Infine, nella sezione Risultati rappresentante i dati di taratura ottenuti nei passaggi 2 e 4 sono utilizzati insieme ai dati di test di piegatura ottenuti nel passaggio 5 per calcolare figure-introduction-11934 e figure-introduction-12002 .

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Figura 2: Procedura per sezionamento e ispezionare gli spicules E. Aspersorio. (A) lo scheletro di E. Aspersorio. Il ciuffo di spicole di ancoraggio autoportante è mostrato alla base dello scheletro. La barra della scala è di ~ 25 mm. (B) una spicula singolo ancoraggio è tenuto sul posto su un vetrino da microscopio utilizzando un pennello di martora rossa #00000 e sezionati usando una lama di rasoio. La barra della scala è ~ 12 mm. (C) una sezione di un aspersorio E. spicula disposti attraverso la trincea sul palco del campione. I bordi di trincea e la cresta di trincea sono evidenziati in verde acqua e arancio, rispettivamente. La spicula è spinto contro la cresta di trincea per garantire che il suo asse è perpendicolare ai bordi trincea. (D) una microfotografia di una spicula che passa la procedura di ispezione descritta nel punto 3.4 del protocollo, che viene descritto come determinare se una sezione dello spicule è danneggiata e deve essere eliminata. (E) A micrografo di una spicula contenente molte crepe e mancano grandi sezioni di strati di silice che verrebbe a mancare la procedura di ispezione descritta nel punto 3.4 del protocollo. Scala bar = 250 µm (C), 100 µm (D) e 100 µm (E). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

1. montaggio e allineamento

  1. Scegli un cantilever cui rigidità è appropriato per l'esperimento previsto. Allegare il LP per la trave a mensola utilizzando #4-40 viti a testa cilindrica (SHCSs) (Vedi Figura 3 A). Fare attenzione a non plasticamente i bracci a sbalzo mentre allegando il LP.

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Figura 3: procedura per il montaggio il cantilever forza di sensore e misura la rigidità. Punto (A), il carico (LP) è collegato a cantilever (C), con la punta del punto di carico (LPT) rivolta verso l'alto. (B) la trave a mensola e LP componente è associato alla piastra a sbalzo, denotata come CP. La tasca ad incasso della piastra a sbalzo è mostrata sotto i bracci a sbalzo. (C), la piastra a sbalzo è attaccato alla parte inferiore del telaio, affinché sia rivolto verso il lato della piastra illustrata in (B) la figure-protocol-1134 direzione. Il micrometro FODS è denotato come FM. (D), il gancio di filo e pesi di calibrazione utilizzati nel passaggio 2 del protocollo vengono mostrati appeso dal foro il LPT. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. applicare poche gocce di 2-propanolo un tampone di cotone libero di panno e pulire la superficie dello specchio LP. Esaminare lo specchio per graffi e sostituire lo specchio se è danneggiato.
  2. Avvitare leggermente il cantilever alla piastra a sbalzo usando #6-32 SHCSs sul lato della piastra contenente la tasca ad incasso con la LPT rivolta in direzione opposta la piastra (Vedi Figura 3 B). Inserire il 1/8 " perni di allineamento attraverso la trave a mensola e piastra, serrare le viti e quindi rimuovere i perni di allineamento.
  3. Ritrarre la FODS quanto possibile ruotando il FODS micrometro in senso antiorario (Vedi Figura 3 C). Avvitare la piastra a sbalzo al telaio mediante SHCSs #6-32 con il puntamento di LPT nella figure-protocol-2446 direzione (Vedi Figura 1 A). Inserire il 1/8 " perni di allineamento attraverso la piastra di telaio e a sbalzo, serrare le viti e quindi rimuovere i perni di allineamento (Vedi Figura 3 C).
  4. Attivare l'alimentazione alimentazione e impostare la tensione di 12.00 V in modalità tensione costante utilizzando la manopola di regolazione. Quindi accendere la tensione di uscita e verificare che l'assorbimento di corrente visualizzata sull'alimentatore ' s LCD schermo è di circa 60-70 mA. Attendere almeno un'ora per l'assorbimento di corrente di raggiungere lo stato stazionario per ridurre l'incertezza di misura di tensione.
  5. Aprire ed eseguire il programma Basic_Data (vedere file di codice supplementare). Ruotare in senso orario per spostare il FODS verso il LP specchio fino a quando la tensione di uscita visualizzata sul grafico interfaccia utente raggiunge un valore massimo il micrometro FODS (Vedi C Figura 3 e Figura 4 A).
    1. Regolare il gain del FODS ruotando il set viti sul lato dell'alloggiamento di FODS in modo che la tensione di uscita è 5.0 V. Disabilita il micrometro FODS in senso antiorario per far rientrare il FODS.
  6. Accendere il microscopio Illuminatore e regolare la posizione di microscopio e mettere a fuoco usando le due fasi di traduzione manuale affinché il LPT è centrato nel campo visivo. Interrompere il programma di Basic_Data facendo il ' Stop ' pulsante.
  7. Aprire il software di interfaccia utente regolatore del motore. Utilizzare il cursore del potenziometro sulla figure-protocol-4296 -regolatore del motore asse per spostare il palco per la corsa massima ammissibile nel < img alt = "Equazione 6" src = "/ files/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > direzione e impostare la posizione casa facendo la ' casa ' pulsante nell'interfaccia utente.
    1. Uso il potenziometro slider sul figure-protocol-4704-il controller motore asse per spostare il palco per la corsa massima ammissibile nella figure-protocol-4859 direzione e impostare la posizione casa. Chiudere il software di interfaccia utente.
  8. Seduta la fase sulla piastra di base di fase (vedere Figura 4 A) in modo che le punte delle teste micrometriche sul livellamento piatto resto in zolle di piastra di base la fase. Collocare una livella a bolla sul piano di isolamento e regolare la pressione in ciascuna della tabella ' gambe ruotando la valvola braccio viti ad alette in modo che la superficie sia piana.
    1. Spostare la bolla nella parte superiore del palco piastra di livellamento e regolare i micrometri, in modo che è anche livello. Si notino le posizioni di micrometro e rimuovere la fase dalla piastra di base di fase. Nota: Il protocollo può essere messo in pausa qui.

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Figura 4: il dispositivo di prova meccanico come assemblato passi 1,9 e 3.7 del protocollo. (A), la fase del campione (SS), è collegato alla fase di traduzione (TS) ed è livellato usando i micrometri sul palco livellamento piastra (SLP), che sono seduti sulla piastra di base di fase (SBP). La piastra di base del palco è attaccata alla breadboard ottica della tabella di isolamento. Il cantilever (C); piastra a sbalzo (CP); e sensore di spostamento ottica della fibra (FODS) comporre il sistema di rilevamento di forza. Punto (B) il carico (LP) è collegato a cantilever e la punta del punto di carico (LPT) è posizionata sopra la spicula sul palco del campione. Durante una prova di flessione, lo spostamento del LP è misurato utilizzando il FODS. La distanza iniziale tra il FODS e lo specchio di LP è controllata dal micrometro FODS (FM) mostrato in (A). (C) A micrografo di spicula posa in trincea nella fase del campione, posizionata sotto il LPT. Barra della scala = 250 µm (C). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. cantilever rigidità misura

  1. eseguire il programma di Basic_Data e Disabilita il micrometro FODS in senso orario finché la tensione di uscita è di circa 4 V. Stop il programma cliccando il ' Stop ' pulsante.
  2. Misurare la massa dei pesi di calibrazione e gancio di filo utilizzando una bilancia analitica.
  3. Aprire il programma di Cantilever_Calibration (vedere file di codice supplementare) e immettere il nome di file desiderato per la forza di calibration file di output nella casella di testo nell'interfaccia utente.
  4. Eseguire il programma di Cantilever_Calibration e fare clic su ' OK ' quando viene richiesto di immettere la massa del peso di taratura prima. Attendere che la tensione di uscita visualizzata nel grafico dell'interfaccia utente per interrompere oscillante e scegliere il verde ' tensione stabilizzata ' pulsante per effettuare una misurazione tensione.
  5. Pinzette uso per appendere il filo gancio foro il LPT di modo che il gancio non è rivolto verso l'obiettivo del microscopio (Vedi Figura 3 D). Utilizzare le pinzette per smorzare la vibrazione dello sbalzo causato tramite l'aggiunta del gancio.
    1. Immettere la massa del gancio in grammi nella finestra di dialogo e fare clic su ' OK '. Come nel passaggio precedente, attendere che la tensione di uscita interrompere oscillante prima di cliccare il ' tensione stabilizzata ' pulsante.
  6. Uso pinzette per appendere il primo peso sul filo gancio e ripetere il processo di misurazione della tensione come descritto nel passaggio precedente. Ripetere questo passaggio finché tutti i pesi di calibrazione sono state appese o la tensione di uscita è inferiore a 1.8 V. A questo punto, fare clic ' annullare ' nella finestra di dialogo per uscire dal programma di Cantilever_Calibration.
  7. Girare in senso antiorario per ritrarre la FODS il micrometro FODS. Rimuovere delicatamente il gancio e pesi da LPT.
    Nota: Il file di output di forza calibrazione è un elenco delimitato da tabulazione della forza applicata da masse di taratura, la media di 100 FODS uscita tensione letture e la deviazione standard di quelle letture. La sezione Risultati rappresentante descrive come questo file di dati viene elaborato per misurare la rigidità a sbalzo.

3. Preparazione dei campioni

  1. usura nitrile guanti durante la manipolazione E. Aspersorio spugna scheletri e conservare gli scheletri in contenitori sigillati, quando essi non vengono gestiti.
    Attenzione: Poiché le spicole sono composte principalmente da silice, frammenti rotti spicula sono taglienti e possono diventare incorporati nella pelle, che porta a irritazione.
  2. Utilizzare un paio di pinzette per afferrare una spicula di ancoraggio per la sua estremità distale e tirare per rimuoverlo dallo scheletro (Vedi Figura 2 A). Posizionare la spicula su un vetrino pulito.
  3. Tenere la spicula contro lo scivolo vicino al punto medio lungo la sua lunghezza utilizzando un pennello di martora #00000 rosso. Tagliare un ≈ sezione di 4 mm di spicula spingendo una lama di rasoio contro la spicula su entrambi i lati del pennello perpendicolare alla diapositiva in superficie (vedere Figura 2 B). Scartare le sezioni di grandi dimensioni dello spicule distale e prossimale e mantenere la ≈ sezione di 4 mm.
  4. Esaminare la sezione 4mm spicula utilizzando un microscopio a luce polarizzato a 10 ingrandimenti (vedere Figura 2 C-E). Scartare la sezione dello spicule e tornare al punto 3.2, se mancano grandi regioni di strati di silice (Vedi Figura 2 E). Gestire sezioni dello spicule controllati esclusivamente utilizzando il pennello di martora #00000 rosso per evitare l'introduzione di eventuali nuovi danni ai loro livelli di silice.
  5. Pulire eventuali frammenti dello spicule o altre particelle dalla superficie della fase del campione con un pennello o aria compressa. Quindi applicare poche gocce di 2-propanolo a un tampone di cotone libero di panno e pulire la fase del campione. Evitare il contatto con le zone del palco con vernice antiriflesso. Nota: La vernice è usata per ridurre il numero di riflessi speculari nelle immagini scattate durante il test di flessione
  6. Trasferire la sezione dello spicule alla fase del campione. Posizionare la sezione dello spicule attraverso la trincea con l'intervallo desiderato per la prova di flessione e spingere leggermente la figure-protocol-12065 direzione contro il crinale di trincea. Assicurarsi che la spicula sia perpendicolare ai bordi trincea (Vedi Figura 2 C).
  7. Sede la fase sulla piastra di base di fase in modo che le punte dei mandrini micrometro riposare in zolle di piastra di base la fase. Se necessario, regolare i micrometri sul palco livellamento piastra ai valori annotato nel passaggio 1,9 del protocollo.

4. Tensione-cilindrata interpolazione File

  1. aprire il programma di Bending_Test (vedere file di codice supplementare). Impostare il ' passo dimensioni ' a 2 µm, ' cilindrata massima ' a 0,5 mm, ' fermata di bassa tensione ' a 1,5 V, e ' alta tensione senza sosta ' a 4.6 V utilizzando le caselle di testo visualizzate nell'interfaccia utente. Caselle di nome
    1. selezionare le directory di immagini e di dati desiderate e il file di output utilizzando il testo nell'interfaccia utente. Impostare il ' salvare le immagini ' passare nell'interfaccia utente di posizione verso il basso e fare clic sul pulsante rettangolare verde sotto le parole ' differenza di tensione ' modo che esso diventa illuminato.
  2. Eseguire il programma Bending_Test e attendere che il motore interfacce controller e telecamera inizializzare.
  3. Accendere l'illuminatore e regolare la luminosità in modo che il LPT è visibile. Ruotare in senso orario il micrometro FODS fino a quando la tensione di uscita visualizzata nel grafico dell'interfaccia utente è ~1.7 V.
    1. Uso il potenziometro slider sul figure-protocol-13844-il controller motore asse per spostare il palco figure-protocol-13960 direzione fino a è ~ 1 cm sotto la LPT e insieme la figure-protocol-14080-posizione home asse facendo la " casa " pulsante.
  4. Potenziometro i cursori sul figure-protocol-14255- e figure-protocol-14326-il controller motore asse per posizionare il LPT sopra il centro della striscia d'acciaio sottile situato sul palco campione nella figure-protocol-14527 direzione dalla trincea. Utilizzare il cursore del potenziometro sul figure-protocol-14666-il controller motore asse per spostare il palco figure-protocol-14782 direzione fino alla fase è all'interno del microscopio ' campo visivo s.
  5. Usa il cursore del potenziometro alla figure-protocol-14975-regolatore del motore asse per spostare il palco figure-protocol-15092 direzione mentre guardando il grafico di tensione di uscita nell'interfaccia utente. Determinare la posizione approssimativa in cui il LPT contatti la fase ' s superficie alla ricerca di un cambiamento nella tensione con ulteriore movimento della fase. Ritrarre il palco circa 10 µm.
  6. Fare clic sul pulsante " iniziare Test ". Quando richiesto, immettere i valori di 0,003 V e 0,001 mm per ' sensibilità al tocco ' e ' toccare off dimensione del passo ', rispettivamente. Attendere completare il test.
    Nota: Dopo questo punto, non rimuovere la fase dalla piastra di base fase fino a quando la prova di flessione è completa al fine di garantire misure di spostamento preciso. Il file di output di tensione-cilindrata interpolazione è un elenco delimitato da tabulazione di media di 100 FODS uscita tensione letture e la deviazione standard di quelle letture lungo con la figure-protocol-16074- posizione di fase di asse a ogni incremento di spostamento di fase. La sezione Risultati rappresentante descrive come questo file di dati viene utilizzato per convertire le tensioni di uscita FODS misurati a spostamenti di LP.

5. Prova di flessione

  1. aprire ed eseguire il Basic_Data programma e ruotare in senso antiorario il micrometro FODS fino a quando la tensione di uscita visualizzata sul grafico di interfaccia utente è di circa 3 V. usate il cursore del potenziometro sul < img Alt = "Equazione 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -regolatore del motore asse per posizionare il LPT tra i bordi di trincea sopra la spicula (Vedi Figura 4 C).
    1. Uso il potenziometro slider sul figure-protocol-16983-il controller motore asse per spostare il palco figure-protocol-17099 direzione fino a il LPT è sotto la superficie superiore della cresta trincea (Vedi Figura 5 A). Infine, utilizzare il cursore del potenziometro sul figure-protocol-17363-il controller motore asse per rendere la superficie anteriore della cresta trincea attivo affinché l'intera larghezza del LP è tra i bordi della cresta di trincea. Interrompere il programma di Basic_Data facendo il ' Stop ' pulsante.
  2. Aprire ed eseguire il programma Center_LoadPoint (vedere file di codice supplementare). Uso il figure-protocol-17826-il controller motore asse per spostare la fase fino a quando il LPT è quasi a contatto con il bordo di destra trincea. Fare clic sui " trovare Edge " pulsante.
  3. Quando viene richiesto, utilizzare il figure-protocol-18110-il controller motore asse per spostare la fase fino a quando il LPT è quasi a contatto con il bordo sinistro della trincea. Fare clic sui " trovare Edge " pulsante. Attendere che il programma posizionare la metà strada LPT lungo tutto l'arco di trincea (Vedi Figura 5 B).
    Nota: Dopo questo punto è importante non regolare il figure-protocol-18566-il controller motore asse come questo si tradurrà in un disallineamento tra il LPT.
  4. Aprire il programma di Bending_Test. Impostare la dimensione di passaggio a 2 µm, cilindrata massima di 0,5 mm, bassa tensione stop a 1.5 V e stop ad alta tensione a 4.5 V utilizzando le caselle di testo nell'interfaccia utente. Caselle di nome
    1. selezionare le directory di immagini e di dati desiderate e il file di output utilizzando il testo nell'interfaccia utente. Impostare il ' salvare le immagini ' passare nell'interfaccia utente alla posizione di backup e fare clic sul pulsante rettangolare verde sotto parole ' differenza di tensione ' modo che non è illuminato.
  5. Eseguire il programma Bending_Test e attendere che il motore interfacce controller e telecamera inizializzare.
  6. Spostare il palco figure-protocol-19539 direzione utilizzando il cursore del potenziometro sul controller del motore finché la spicula si trova il microscopio ' s campo di vista. Utilizzare il cursore del potenziometro sulla figure-protocol-19813 -regolatore del motore asse per spostare la fase fino a quando la spicula è sotto il LPT.
    1. Regolare le manopole di messa a fuoco del microscopio in modo che la spicula è a fuoco l'utente interfaccia (vedere la Figura 4 C). Ruotare in senso antiorario il micrometro FODS fino a quando la tensione di uscita è circa 1,8 V.
  7. Utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore asse z per spostare il palco figure-protocol-20393 direzione mentre si guarda il grafico della tensione di uscita nell'interfaccia utente. Determinare la posizione approssimativa in cui il LPT contatti la spicula in cerca di un cambiamento nella tensione con ulteriore movimento della fase. Ritrarre il palco circa 50 µm.
  8. Clic " Begin Test " e attendere finché non viene completata la prova di flessione e la fase restituisce per la figure-protocol-20861-posizione home asse.
    Nota: La fase si sposta a passi di 2 µm (come è stato prescritto al punto 5.4 del protocollo) figure-protocol-21068 direzione, piegatura la spicula (vedere Figura 5 C) fino a quando non viene soddisfatta una delle diverse condizioni di arresto. Le condizioni di arresto sono: a) viene raggiunto lo spostamento di fase massima di 0,5 mm; b) le interruzioni dello spicule e il programma rileva un forte calo della tensione di uscita FODS; o c) viene raggiunto il limite di alta tensione 4,5 V. Per fermare la condizione (a), l'utente verrà richiesto se si desidera terminare il test o eseguire l'override del valore precedente. Quando ' l'Override ' è selezionata, l'utente avrà l'opportunità di incrementare il limite di spostamento di fase o invertire la direzione del passo di spostamento di fase al fine di continuare la raccolta di dati come la spicula viene scaricato. La regia di incremento di cilindrata può anche essere cambiata cliccando il " Reverse caricamento " pulsante in qualsiasi momento durante il test. Il file di output test di curvatura ha la stessa struttura come il file di output di tensione-cilindrata interpolazione generato nel passaggio 4.6 del protocollo. Cioè, è un elenco delimitato da tabulazione di media di 100 FODS uscita tensione letture e la deviazione standard di quelle letture lungo con la figure-protocol-22429-posizione di fase di asse in ogni fase incremento di cilindrata. La sezione Risultati rappresentante descrive come questo file di dati viene utilizzato insieme al file di interpolazione di tensione-spostamento per calcolare gli spostamenti a sbalzo e gli spostamenti della fase durante la prova di flessione. Successivamente, la rigidità a sbalzo viene utilizzata per calcolare la forza applicata dal LPT sulla spicula.
  9. Dopo il test è completo, ruotare il micrometro FODS in senso antiorario fino a quando il FODS è di almeno 5 mm dallo specchio LPT. Quindi, rimuovere delicatamente la fase dalla piastra di base fase.

figure-protocol-23212
Figura 5: procedura per allineare il LPT con la trincea ' s metà campata e esecuzione di un test di curvatura (A) The LPT è posizionato sotto la superficie superiore della cresta trincea alla fine del passaggio 5.1 del protocollo, ma non è ancora posizionato a metà campata. (B) la posizione del TPL dopo il centraggio della procedura descritta nei punti 5.2 e 5.3 del protocollo sono stati completati. (C) A micrografo di una spicula scattata durante la prova di flessione. Lo spostamento della sezione trasversale dello spicule sotto la LPT, figure-protocol-23968, è contrassegnato schematicamente. Scala bar = 250 µm (A-C). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

Le uscite più elementari di qualsiasi prova meccanica sono la grandezza della forza applicata per il campione e lo spostamento nella posizione dove la forza è applicata. Nel caso di prova di flessione a tre punti, l'obiettivo è ottenere la grandezza della forza applicata da LPT, figure-results-338 e lo spostamento della sezione trasversale del provino sotto il LPT nella

Discussione

Diversi passaggi del protocollo sono particolarmente importanti per garantire che le forze e gli spostamenti sono misurati con precisione. Mentre alcuni di questi passaggi critici sono universali per tutte le prove di flessione di tre punti, gli altri sono unici per questo dispositivo di prova meccanico.

Nel passaggio 1.2 del protocollo lo specchio LP viene pulito e ispezionato per graffi e nel passo 1.6 del protocollo è impostato il guadagno FODS. È importa...

Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation [meccanica dei materiali e strutture di programma, grant numero 1562656]; e della American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

Materiali

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

Riferimenti

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