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.

1. 생물 재료 과학 <ol><li> 개인 보호 장비 (즉, 장갑, 보호 안경 및 실험실 코트)를 착용하고 해부 도구를 사용하는 모든 안전 절차를 따르십시오. </li><li> 포셉을 씻어 해부에 사용 증류수로 메스. </li><li> 1 시간 동안 실온에서 얼어 붙은 핑크 성게를 녹여. 성게 및 절단 도구를 기동 할 수 있도록 충분한 공간을 가진 유리 접시에 해동 표본을 놓습니다. 치아 끝이 위로 향하도록 거꾸로 게 돌립니다. <ol><li> 메스와 아리스토텔레스의 등불의 둘레 주위의 결합 조직을 절단 조심스럽게 랜턴을 들어 올립니다. 증류수를 실행하는 랜턴을 씻어. 적절한 폐기 용기에 사용하지 않는 게 부품을 폐기하십시오. </li><li> 치아의 끝이 아래를 향하도록 다시하도록 통해 아리스토텔레스의 등불을 켭니다. 이 위를 향하도록 (반대 팁) 각 치아의 plumula 끝을 찾아 치료하기 위해 집게를 사용완전히 턴에서 개별 치아를 밀어 넣습니다. </li></ol></li><li> 냄비에 치아를 에폭시를 준비합니다. 수지 5 g을 달아 경화제의 1.15 g을 추가 얕은 일회용 플라스틱 트레이에 (예를 들어, 100 부 23 중량 부 경화제를 수지). 거품을 형성하지 않고 천천히 함께 내용을 섞는다. 참고 : 대기에 노출 부족과 용기에 남은 혼합 에폭시를 두지 마십시오. 경화 공정은 발열 근처 인화성을 점화 할 수있다. 가연성 항목에서 환기가 잘되는 흄 후드에 남은 혼합 에폭시를 유지합니다. <ol><li> 손가락으로 적용 석유 젤리를 사용하여 2.5 DRAM 플라스틱 튜브 (22mm 내부 직경, 39mm 길이)를 윤활하고 티슈로 초과 닦아. 혼합 된 에폭시와 튜브 중간을 입력합니다. </li><li> 치아를 집어 조심스럽게 곡선 오목면이 위를 향하도록 에폭시에 잠수함하기 위해 집게를 사용합니다. 24 시간 동안 실온에서 에폭시 치료를 할 수 있습니다. 참고 : 터치 표류에서 치아 팁을 방지이 보낸 에폭시 같은 경화 플라스틱 튜브 벽은 팁이 어려워 연마 할 것이다. </li></ol></li><li> 바이스에서 경화 에폭시와 플라스틱 튜브를 놓습니다. 달렸다는 플라스틱 튜브에 때까지 천천히 바이스를 조입니다. 에폭시 표면으로부터 잔류 플라스틱을 벗겨. <ol><li> 단면이 작은 블록 (1cm 3) 아래 치아 주위에 에폭시를 잘라 보았다 사용합니다. </li></ol></li><li> 연마 깨끗한 영역을 준비하고 하드 플라스틱 보드 플랫 워크 스테이션을 설정합니다. 증류수와 함께 물총 병을 채 웁니다. <ol><li> 가능한 최저 사포 (예를 들어, 120)로 시작하고 사포 상 세척 병에서 소량의 물을 짠다. 저압을 사용하여 5 분 동안 하나의 전후 방향 (즉, 좌우)에 샘플을 문질러. </li><li> 싱크대 위에 시료의 표면을 세척하고 입자가없는 티슈로 닦아 낸다. 15 초 동안 압축 공기와 남은 사포 모래를 제거합니다. </li><li> 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복 점진적으로 더 높은 사포 (예를 들어, 600, 2400)를 사용합니다. 이전 폴란드어 단계에 수직 다시 샘플 전후 방향, 빛의 압력을 문질러 사용 (예를 들어, 업 다운, 왼쪽 오른쪽). 주 : 수직 긁힌 자국 각각 그릿 레벨 교차 참조 20X 확대 한 광학 현미경을 사용하여 (예를 들어, 120, 600, 2400). 이전 그릿 수준에서 긁힌 자국이 사라질 때 다음으로 높은 사포로 이동합니다. </li><li> 1 증류수 솔루션 : 1에서 3 μm의 다이아몬드 연마 정지와 함께 물총 병을 준비합니다. 다이아몬드 현탁액이 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복 할 수있는 폴란드어 헝겊을 사용하십시오. </li><li> 1 증류수 솔루션 : 1에서 0.5 μm의 알루미나 연마 정지와 함께 물총 병을 준비합니다. 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복하는 microcloth 연마면을 사용합니다. 참고 : 미세 스크래치 자국이 프로토콜은 1.6.4 단계와 1.6.5이 visib되지 않습니다에서20X 배율로 제작. 앞뒤로 움직임에서 5 분 폴란드어이 프로토콜 단계의 경우, 이전의 모든 상처를 제거합니다. </li><li> 조심스럽게 건조 압축 공기와 증류수를 사용 입자가없는 조직과 연마 표면을 청소합니다. 거울 광택 도장을 유지하기 위해 입자가없는 조직으로 바꿈. 참고 : 모든 연마 ​​표면이 큰 입자가없는 조직 아래로 얼굴을 닦아냅니다. 연마 시간 사이의 표면 상에 정착하는 먼지를 방지하기 위해 플라스틱 슬리브에 저장한다. </li></ol></li><li> 성게 치아 미세하여 주사 전자 현미경 (SEM)을 특성화. ~ 20 ㎚의 막 두께에 대한 연마 치아 표면 상에 10 초 동안 85mA의 증착 전류 이리듐 스퍼터 스퍼터 코터를 사용한다. <ol><li> 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 4,000X 확대 - 250X에서 현미경 이미지를 얻습니다. 참고 : 사용하여 주사 전자 (SE) 모드에서 5 kV로하고, 후방 산란 전자 (BSE) 모드에서 15 kV로. 방해석 FIB를 식별하기 위해 BSE 모드를 사용ERS는 마그네슘 - 농후 다결정 행렬 산재. </li></ol></li><li> 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 (μ-CT) 전체 핑크 성게의 검사 및 갓 해부 아리스토텔레스의 등불을 수행합니다. 스캔하는 동안 가습 환경을 제공하기 위해 젖은 티슈로 폐쇄 챔버 용기 내부의 각 해동 샘플을 놓습니다. <ol><li> 각각 36.00 μm의 및 9.06 μm의의 등방성 복셀 크기 μ-CT에 의해 전체 성게와 아리스토텔레스의 등불을 스캔합니다. 모두를위한 1.0 mm 알루미늄 필터를 사용하여 각각 전체 성게와 아리스토텔레스의 등불을 위해, 전기 (100) KVP의 잠재력과 100mA 및 141mA의 전류를 70 KVP을 적용합니다. </li><li> 제조자의 프로토콜을 사용하는 다수의 에너지의 X 선을 방출 μ-CT X 선 소스로부터 발생 된 빔 경화 생성물을 고려하여 화상 재구성 동안 빔 경화 보정 알고리즘을 적용한다. </li></ol></li><li> 심상을 구체화 이미징 소프트웨어를 사용하여GE의 분할과 아리스토텔레스의 등불 구조 삼각형 메쉬 모델을 취득. <ol><li> 로드 및 미리보기 μ-CT 검사에서 아리스토텔레스의 등불 이미지 데이터. 마이크로 CT 스캔의 값에 복셀 크기 (9.06 μm의)을 맞 춥니 다. </li><li> 3D 공간에서 아리스토텔레스의 등불을 시각화하기 위해 볼륨 렌더링 기능을 사용하십시오. 경계 상자 모듈과 2 차원 직교 슬라이스를 조정하고 볼륨 렌더링 모듈 임계 값 / 색상을 조정합니다. </li><li> 분할 편집기를 사용하여 관심 영역 (예를 들어, 성게 치아)에 대한 마스크 세그먼트를 확인합니다. XY, YZ 및 XZ 평면과 3D 아이소 메트릭 뷰를 선택합니다. 아리스토텔레스의 등불 간단한 구조 (피라미드 대 치아)를 구별하기 위해 마법의 지팡이 (검은 색 화살표)를 사용합니다. </li><li> 추출 된 마스크 세그먼트로부터 모델의 표면을 재구성. 서페이스 생성 모듈을 선택하고 적용 할 수 있습니다. 눈에 보이는 상부 표면이 사라하도록 설정 렌더링 볼륨을 취소합니다. 추가표면보기 모듈은 표면 결과를 표시합니다. </li><li> &lt;18,000면의 수를 감소시킴으로써 표면 모델을 단순화. </li><li> 필요에 따라 모델 표면에 각각의 삼각형 메쉬를 편집합니다. 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 모델링 소프트웨어와 함께 사용할 수출에 대한 조형 (STL) 파일로 모델을 저장합니다. </li></ol></li></ol> 2. Bioinspired 디자인 <ol><li> CAD 모델링 소프트웨어와 bioinspired 디자인을 만들기 위해 참고로 마이크로 CT 스캔에서 아리스토텔레스의 등불을 사용합니다. 참고 : bioinspired 디자인은 높이 6cm 직경 폐쇄 랜턴 8 cm의 오 곡선 치아를 가지고있다. 그것은 자연 아리스토텔레스의 등불의 크기에서 ~ 5 배를 조정됩니다. </li><li> 플래시 드라이브에 STL 파일의 부분을 저장하고 융합 증착 모델링 (FDM) 3D 프린터로 파일을 업로드 할 수 있습니다. <ol><li> 3 차원 (P)의 적절한 슬롯에로드 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS) 플라스틱 지지체 플라스틱 재료 카트리지린 터. </li><li> 의 Z 플랫폼에서 모델링 기반을 삽입하고 금속 트레이에 슬롯 탭을 맞 춥니 다. </li><li> STL과 파일의 각 부분을 열고 동시에 모두 턴 부를 인쇄하는 화면 표시 단계를 따른다. 주 : 턴 부품 빌딩 외형 (25 X 25 X 30cm 3) 3 차원 프린터 내에서 맞아야한다. 다섯 치아 모델링베이스에 배치하고 치아의 끝이 위를 향와 동시에 인쇄됩니다. 빌드 속도는 시간당 16cm 3이고 총 제작 시간은 약 8 시간이다. </li><li> 모든 파일 부분을 인쇄 할 때의 탭에서 모델링 기반을 해제하고 트레이 가이드를 따라 3D 프린터 밖으로 기지를 밀어 넣습니다. </li><li> 부품에 부착 된 여분의 플라스틱을 입고베이스와 금속 파일 오프 모든 부분을 캐 내려고 금속 주걱을 사용합니다. </li><li> 지원 플라스틱 재료 용해 될 때까지 가열베이스 화장실에 인쇄 된 부분을 놓습니다. </li></ol></li><li> 리튬과 공동으로 암에 각각의 치아를 고정북한로드와 양쪽에 두 개의 E-유지 반지. 참고 : bioinspired 아리스토텔레스의 등불 조립도 6을 참조하십시오. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> 유한 요소 모델 (FEM) 응력 해석 시험을 수행 할 bioinspired 치아에 대한 CAD 파일을 사용한다. <ol><li> 또한 엔지니어링 분석을 수행 할 파일 (xx.sldprt)를 엽니 다. 은 &quot;오피스 제품&quot;탭 위의 &quot;솔리드 웍스 시뮬레이션&quot;버튼을 선택합니다. </li><li> 은 &quot;시뮬레이션&quot;탭 위의 &quot;연구 고문&quot;버튼을 누른 다음 드롭 다운 옵션 &quot;새로운 연구&quot;를 선택합니다. </li><li> 시뮬레이션 테스트의 유형을 선택합니다 &quot;정적&quot;을 선택하여 실행합니다. </li><li> 정적 테스트 목록에서 &quot;일정&quot;을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 &quot;고정 형상&quot;을 선택합니다. </li><li> 핀이 갈 것이다 장착 구멍에 설비를 추가 내면을 클릭합니다. </li><li> 정적 테스트 목록에서 &quot;외부 하중&quot;및 SELEC을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭t &quot;힘&quot;. </li><li> 팁 연삭 치아를 클릭은 ​​가장자리에 45 N의 힘을 적용하기에 직면 해있다. </li><li> 정적 테스트 목록에서 &quot;외부 하중&quot;을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 &quot;중력&quot;을 선택합니다. </li><li> 면에 수직으로 가해지는 중력에 대해 &quot;최고 비행기&quot;를 표시합니다. </li><li> 정적 테스트 목록에서 &quot;메시&quot;을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 &quot;메시 만들기&quot;를 선택합니다. </li><li> &quot;메시 밀도&quot; &quot;좋아&quot;의 오른쪽에있는 모든 방법에 대한 눈금 막대를 이동합니다. </li><li> 정적 테스트 목록에서 &quot;정적&quot;을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 테스트를 실행 &quot;실행&quot;을 선택합니다. 참고 : 가장 높은 스트레스와 &quot;항복 강도&quot;의 영역에 대한 색깔 스케일 바. </li></ol></li><li> 와 용골없이 bioinspired 치아에 대한 스트레스 분석 테스트 결과를 비교한다. </li></ol>

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We have nothing to disclose.

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 ...

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.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Abrasive paper for polishing</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8&quot; PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Polish cloth for 3 &amp;#956;m suspension</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polish suspension (3&amp;nbsp;&amp;#956;m)</td></tr><tr><td>MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Polish cloth for 50 nm suspension</td></tr><tr><td>MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Polish suspension (50&amp;nbsp;nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT scanner equipment</td></tr><tr><td>Amira software</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software for 3D manipulation of Micro-CT scans</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections</td></tr><tr><td>SolidWorks Design software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Design software for CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulation software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer plastic</td></tr></tbody></table>

a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws

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.

아리스토텔레스의 턴 샘플링 장치의 설계 Bioinspired 사용 특성화 방법의 품질에 크게 의존한다. μ-CT와 같은 비 침습적 기술은 bioinspired 디자인 (그림 4)에 대한 응용 프로그램 특정 개선 사항을 적용하려면 전체 랜 턴과 개인의 치아를 분석하는 데 도움이됩니다. 한편, 치아 미세 이차 전자 및 개별 치아 (도 5)의 연마 단면의 후방 산란 전자 현미경?...

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A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

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.

Bioinspired 디자인을위한 프로토콜 : 접지 샘플러 성게 턱을 바탕으로

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.0K 조회수.  University of California, San Diego. 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. 

비디오: A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.

VacuSIP, 개선 INEX 방법에 대한<em&gt; 현장에서</em&gt; 미립자의 측정 및 용존 화합물은 액티브 서스펜션 피더에 의해 처리

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and ...

연구

환경과학

Protocol for Microplastics Sampling on the Sea Surface and Sample Analysis

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of scientific publications address microplastic pollution of the sea surface. The protocol below describes the methodology for sampling, sample preparation, separation and chemical identification of microplastic particles. A manta net fixed on an &#187;A frame&#171; attached to the side of the vessel was used for sampling. Microplastic particles caught in the cod end of the net were separated from samples by visual identification and use of stereomicroscopes. Particles were analyzed for their size using an image analysis program and for their chemical structure using ATR-FTIR and micro FTIR spectroscopy. The described protocol is in line with recommendations for microplastics monitoring published by the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) Technical Subgroup on Marine Litter. This written protocol with video guide will support the work of researchers that deal with microplastics monitoring all over the world.

The protocol below describes the methodology for: microplastics sampling on the sea surface, separation of microplastic and chemical identification of particles. This protocol is in line with the recommendations for microplastics monitoring published by the MSFD Technical Subgroup on Marine Litter.

바다 표면 및 샘플 분석에 Microplastics 샘플링을위한 프로토콜

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of ...

Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical strain. Skeletal joints are subjected to dynamic mechanical loading. Finite element analysis (FEA) is a computational method, frequently used in engineering that can predict how a material or structure will respond to mechanical input. By dividing a whole system (in this case the zebrafish jaw skeleton) into a mesh of smaller 'finite elements', FEA can be used to calculate the mechanical response of the structure to external loads. The results can be visualized in many ways including as a 'heat map' showing the position of maximum and minimum principal strains (a positive principal strain indicates tension while a negative indicates compression. The maximum and minimum refer the largest and smallest strain). These can be used to identify which regions of the jaw and therefore which cells are likely to be under particularly high tensional or compressional loads during jaw movement and can therefore be used to identify relationships between mechanical strain and cell behavior. This protocol describes the steps to generate Finite Element models from confocal image data on the musculoskeletal system, using the zebrafish lower jaw as a practical example. The protocol leads the reader through a series of steps: 1) staining of the musculoskeletal components, 2) imaging the musculoskeletal components, 3) building a 3 dimensional (3D) surface, 4) generating a mesh of Finite Elements, 5) solving the FEA and finally 6) validating the results by comparison to real displacements seen in movements of the fish jaw.

Finite Element Analysis is a frequently used tool to investigate the mechanical performance of structures under load. Here we apply its use to modeling the biomechanics of the zebrafish jaw.

Zebrafish의 턱 역학을 조사하기 위해 유한 요소 모델을 구축

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical ...

발생학

Bioindication Testing of Stream Environment Suitability for Young Freshwater Pearl Mussels Using In Situ Exposure Methods

Knowledge of habitat suitability for freshwater mussels is an important step in the conservation of this endangered species group. We describe a protocol for performing in situ juvenile exposure tests within oligotrophic river catchments over one-month and three-month periods. Two methods (in both modifications) are presented to evaluate the juvenile growth and survival rate. The methods and modifications differ in value for the locality bioindication and each has its benefits as well as limitations. The sandy cage method works with a large set of individuals, but only some of the individuals are measured and the results are evaluated in bulk. In the mesh cage method, the individuals are kept and measured separately, but a low individual number is evaluated. The open water exposure modification is relatively easy to apply; it shows the juvenile growth potential of sites and can also be effective for water toxicity testing. The within-bed exposure modification needs a high workload but is closer to the conditions of a natural juvenile environment and it is better for reporting the real suitability of localities. On the other hand, more replications are needed in this modification due to its high-hyporheic environment variability.

Bioindication Testing of Stream Environment Suitability for Young Freshwater Pearl Mussels Using In Situ Exposure Methods

In situ bioindications enable determination of the suitability of an environment for endangered mussel species. We describe two methods based on the juvenile exposure of freshwater pearl mussels in cages to oligotrophic river habitats. Both methods are implemented in variants for open water and hyporheic water environments.

Bioindication 영 민물 진주 홍합에 현장 노출 방법을 사용 하 여에 대 한 스트림 환경 적합성의 테스트

Knowledge of habitat suitability for freshwater mussels is an important step in the conservation of this endangered species group. We describe a protocol ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the approach more practical than in the past. Image-based surveys allow for initial samples to be revisited and are non-invasive compared to traditional survey methods that typically involve nets or dredges. Protocols for image-based surveys can vary greatly but should be driven by target species behavior and survey objectives. To demonstrate this, we describe our most recent methods for an Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) drop camera survey to provide a procedural example and representative results. The procedure is divided into three critical steps that include survey design, data collection, and data products. The influence of scallop behavior and the survey goal of providing an independent assessment of the U.S. sea scallop resource on the survey procedure are then discussed in the context of generalizing the method. Overall, the broad applicability and flexibility of the University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) drop camera survey demonstrates the method could be generalized and applied to a variety of sessile invertebrates or habitat focused research.

Image based surveying is an increasingly practical, non-invasive method to sample the marine environment. We present the protocol of a drop camera survey that estimates the abundance and distribution of the Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus). We discuss how this protocol can be generalized for application to other benthic macroinvertebrates.

생물이 Macroinvertebrates 그리고 대서양 바다 가리비에 대 한 드롭 카메라 조사에 의해 Exemplified 그들의 서식 지의 이미지 기반 설문 조사 방법

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and tissues in the adult body form. Yet, each year more components of individual signaling pathways are discovered, and studies indicate that depending on the context there is significant cross-talk among most of these pathways. This complexity makes studying cell-to-cell signaling in any in vivo developmental model system a difficult task. In addition, efficient functional analyses are required to characterize molecules associated with signaling pathways identified from the large data sets generated by next generation differential screens. Here, we illustrate a straightforward method to efficiently identify components of signal transduction pathways governing cell fate and axis specification in sea urchin embryos. The genomic and morphological simplicity of embryos similar to those of the sea urchin make them powerful in vivo developmental models for understanding complex signaling interactions. The methodology described here can be used as a template for identifying novel signal transduction molecules in individual pathways as well as the interactions among the molecules in the various pathways in many other organisms.

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

This video article details a straightforward in vivo methodology that can be used to systematically and efficiently characterize components of complex signaling pathways and regulatory networks in many invertebrate embryos.

단순함의 힘 : 같은 성게 배아<em&gt; 생체</em&gt; 복잡한 세포 간 신호 전달 네트워크의 상호 작용 유학을위한 발달 모델

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

디자인 및 쌍 각 조개 서 스 펜 션 바다에서 먹이 측정 기구 사용

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

로봇 플랫폼은 캘리포니아 바다 사자의 Foreflipper를 공부하기

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

공학

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle shells provides unique design principles with potentials for guiding the design of protective materials and systems in the future. Understanding the structure-property relationships for these material systems at the microscale and nanoscale where failure initiates is essential. Currently, experimental techniques such as nanoindentation, X-ray CT, and SEM provide researchers with a way to correlate the mechanical behavior with hierarchical microstructures of these material systems1-6. However, a well-defined standard procedure for specimen preparation of mineralized biomaterials is not currently available. In this study, the methods for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of A. spatula using nanoindentation, FTIR, SEM, with energy-dispersive X-ray (EDX) microanalysis, and X-ray CT are presented.

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

This paper presents the methods used for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of Atractosteus spatula (A. spatula) using nanoindentation, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray computed tomography (X-ray CT). The experimental results have been used to investigate the design principles of protective biological materials.

다층 물고기 비늘 (의 특성<em&gt; Atractosteus 주걱</em&gt;) 나노 인 덴 테이션, X-선 CT, FTIR, 및 SEM을 사용하여

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

생체공학

Assessing Intertidal Populations of the Invasive European Green Crab

Invasive species have caused major disruptions to ecosystems worldwide. The European green crab invaded North America in the 1800s and is considered one of the world&#8217;s 100 worst invaders by the IUCN. Observations of spatiotemporal green crab population dynamics are essential for predicting and managing the ecological and economic impacts of this harmful invasive species. This protocol was developed in an effort to create a standardized method for assessing green crab population dynamics in the rocky intertidal zone of New England and Atlantic Canada. The protocol was designed to be accessible to multiple users including researchers, educators, students, and citizen scientists. Although it was designed for surveying crab populations, this protocol is easy to adapt and could be used for any number of intertidal species. The resulting data collected using this protocol has a wide range of uses, including to inform ecological research, conservation efforts, mitigation strategies, and fishery development, as well as for educational outreach purposes.

Understanding spatiotemporal patterns in green crab population dynamics is essential for predicting and managing the ecological and economic impacts of this harmful invasive species. This protocol was developed in an effort to create a standardized method for assessing green crab populations in the rocky intertidal zone of the Northwest Atlantic.

침략적인 유럽 녹색 게의 조간 인구 평가

Invasive species have caused major disruptions to ecosystems worldwide. The European green crab invaded North America in the 1800s and is considered one ...

Bioinspired 디자인을위한 프로토콜 : 접지 샘플러 성게 턱을 바탕으로

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