一种用于测量海洋海绵骨针力学性能的毫米级弯曲测试系统

本实验的总体目标是测量直径在10至100微米之间的纤维的弯曲性能。该方法有助于回答有关生物结构力学行为的关键问题，例如海洋海绵骨针的强度和刚度特性。该技术的主要优势在于可用于测量多种不同尺寸和弹性特性的材料的力学行为。

尽管该方法可用于研究骨针的力学行为，但也适用于其他承重的生物结构，例如植物茎秆和羽毛羽轴。首先，使用4-40内六角圆柱头螺钉将加载点固定到悬臂梁上。安装加载点时需小心，避免悬臂梁臂发生塑性变形。

然后，将加载点尖端移离悬臂板，并使用6-32内六角圆柱头螺钉将悬臂板松散地固定在基板上。接着，将1/8英寸对准销插入悬臂板和基板中，拧紧螺钉，然后拔出对准销。通过逆时针旋转传感器微调旋钮，将光纤位移传感器尽可能回缩。

然后，使用6-32内六角圆柱头螺钉将悬臂板松散地固定到支架上，使加载点的尖端朝向负z方向。再次插入1/8英寸对准销，此次穿过支架和悬臂板，拧紧螺钉，然后取下对准销。现在，将平台放置在平台底板上，使调平板上的千分尺头尖端嵌入平台底板的凹槽中。

将水平仪放置在隔振台上，通过旋转各支腿阀门手拧螺钉来调节压力，使台面水平。将水平仪移至载物台调平板顶部，调节千分尺使其同样处于水平状态。记录千分尺的位置，然后将载物台从基板上取下。

使用一对镊子夹住一个锚状骨针的远端，将其从骨骼中拔出。将骨针放置在干净的显微镜载玻片上。使用一把00000号红貂毛刷，将骨针固定在载玻片上。

将刀片垂直于载玻片表面，在刷状结构两侧的骨针上推动，切取一段四毫米长的骨针。然后弃去远端和近端的骨针部分，保留从中间位置切下的四毫米骨针段。将该骨针段转移至样品台。

将其放置在沟槽上方，确保弯曲测试所需的跨距，并轻轻沿正 y 方向推动，使其紧贴沟槽边缘，以保证骨针与沟槽边缘垂直。将样品台放置在基板上，使千分尺测微螺杆的尖端落入基板的凹槽内。如有需要，可调节样品台调平板上的千分尺。

打开补充代码文件中的弯曲测试程序，使用用户界面中显示的文本框，将步长设置为2微米，最大位移设置为0.5毫米，低压停止值设置为1.5伏，高压停止值设置为4.6伏。使用用户界面中的文本框选择所需的图像和数据目录，以及输出文件名称。然后，将用户界面中的“保存图像”开关置于向下位置，并单击“电压差”文字下方的绿色矩形按钮，使其亮起。

现在运行弯曲测试程序，并等待电机控制器和相机界面完成初始化。打开照明灯，并调节亮度，使载荷点尖端可见。然后顺时针旋转光纤位移传感器的千分尺，直到用户界面图形中显示的输出电压约为1.7伏。

现在，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块，将载物台沿 z 轴正方向移动，直至其位于加载点尖端下方约一厘米处，然后单击“Home”按钮设置 z 轴的原点位置。使用 x 轴和 y 轴电机控制器上的电位计滑块，将加载点尖端对准样品载物台上沟槽负 x 方向一侧的薄钢条中心。接着，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块，将载物台沿 z 轴正方向移动，直至载物台进入显微镜的视野范围内。

单击标有“开始测试”的按钮，当系统提示时，分别输入 0.003 伏特和 0.001 毫米作为触觉灵敏度和触点步长。单击“确定”，等待数分钟以完成校准步骤。打开并运行补充代码文件中的“基本数据”程序，逆时针旋转光纤位移传感器微调旋钮，直到用户界面图形上显示的输出电压约为 3 伏特。

然后，使用x轴电机控制器上的电位计滑块，将加载点尖端定位在小沟边缘之间、骨针的上方。同时，使用z轴电机控制器上的电位计滑块，将载物台沿正z方向移动，直到加载点尖端位于小沟脊顶部表面的下方。最后，使用y轴电机控制器上的电位计滑块，使小沟脊的前表面聚焦，确保加载点尖端的整个宽度位于小沟脊边缘之间。

然后，单击“停止”按钮以停止基本数据程序。接下来，打开并运行补充代码文件中的中心加载点程序。使用 x 轴电机控制器移动载物台，直到加载点尖端接近与右侧沟槽边缘接触。

然后，单击“查找边缘”按钮。当系统提示时，使用 x 轴电机控制器移动载物台，直到加载点针尖接近与左侧沟槽边缘接触。此时，再次单击“查找边缘”按钮，并等待程序将加载点针尖定位至沟槽跨距的中间位置。

接下来，打开弯曲测试程序。在用户界面的文本框中，将步长设置为2微米，最大位移设置为0.5毫米，低压停止值设置为1.5伏，高压停止值设置为4.5伏。此外，使用用户界面中的文本框选择所需的图像和数据目录以及输出文件名。

将用户界面中的“保存图像”开关拨至向上位置，并点击“电压差”文字下方的绿色矩形按钮，使其不再亮起。然后运行弯曲测试程序，等待电机控制器和相机界面完成初始化。初始化完成后，使用电机控制器上的电位计滑块将载物台沿正z方向移动，直至骨针进入显微镜的视野范围内。

然后，使用 y 轴电机控制器上的电位器滑块移动载物台，直至骨针位于加载点尖端下方。接着，调节显微镜的焦距旋钮，使骨针在用户界面中清晰对焦。随后，逆时针旋转光纤位移传感器的千分尺，直至输出电压约为 1.8 伏。

设置完成后，单击“开始测试”，等待弯曲测试完成且载物台返回 z 轴原点位置。可通过电压-位移插值文件、力学校准文件以及三点弯曲测试获得的弯曲测试文件，计算骨针在 z 方向的位移以及加载端尖部施加的力。电压-位移插值文件用于测量弯曲测试过程中悬臂的位移。

为了估算悬臂梁的刚度，需进行力的校准，然后利用该校准将悬臂梁的位移与加载点尖端施加的力关联起来。综合以上信息，可用来生成力-位移响应曲线。图中所示为三个成功完成三点弯曲测试的不同 E.aspergillum 锚定骨针样品。

一旦掌握，使用该设备进行一次弯曲测试大约需要 10 到 15 分钟。该操作最关键的步骤是确保骨针正确放置在载物台上，并且其轴线与沟槽边缘垂直。三点弯曲测试为研究承重生物结构的研究人员提供了一种相对简单的方法，以深入了解其力学行为。

弯曲试验完成后，可利用梁理论根据力-位移数据计算骨针的杨氏模量和断裂强度。