Luodun kuituverkon voiman muutosten mittaaminen ulkoisen voiman vuoksi: 8 vaihetta

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:44

Solut voivat olla vuorovaikutuksessa ympäröivän solunulkoisen matriisin (ECM) kanssa ja ne voivat sekä soveltaa että vastata ECM: n aiheuttamiin voimiin. Projektissamme simuloimme toisiinsa liittyvää kuituverkkoa, joka toimisi ECM: nä, ja näemme kuinka verkko muuttuu vastauksena jonkin pisteen liikkeeseen. ECM on mallinnettu toisiinsa kytkeytyväksi jousijärjestelmäksi, joka on alun perin tasapainossa ja jonka nettovoima on nolla. Kun verkkoon kohdistetaan voimaa pisteen liikkeen vuoksi, yritämme saada yhdistetyt pisteet reagoimaan voimaan siten, että ne yrittävät palata tasapainoon. Voimaa valvoo yhtälö F = k*x jossa k on jousivakio ja x on kuidun pituuden muutos. Tämä simulaatio voi auttaa antamaan yleisen käsityksen kuituverkkojen voiman etenemisestä, jota voidaan lopulta käyttää simuloimaan mekanotransduktiota.

Vaihe 1: Luo yhtenäisten neliöiden NxN -matriisi

Aloitamme koodin valitsemalla N, joka määrittää verkon mitat (NxN). N -arvoa voidaan muuttaa manuaalisesti muuttaaksesi verkon mittoja tarpeen mukaan. Tässä esimerkissä N = 8, joten meillä on 8x8 pisteverkosto. Kun olemme luoneet matriisin, yhdistämme kaikki matriisin pisteet, joiden pituus on 1 yksikkö, käyttämällä etäisyyskaavaa, etäisyys = sqrt ((x2-x1)^2+(y2-y1)^2). Näin saamme neliöverkot, jotka kaikki on sijoitettu tasan yhden yksikön välein. Tämä näkyy kuvassa 101.

Vaihe 2: Verkoston satunnaistaminen

Tässä vaiheessa haluamme satunnaistaa kaikki pisteiden sijainnit paitsi ulkoiset pisteet, jotka muodostavat rajamme. Tätä varten löydämme ensin kaikki matriisikoordinaatit, jotka ovat yhtä suuret kuin 0 tai N. Nämä pisteet muodostavat rajan. Ei -rajapisteiden sijainti satunnaistetaan lisäämällä eri satunnaisarvo -5 -.5 sekä x- että y -asentoihin. Piirretty satunnaistettu kuva näkyy kuvassa 1.

Vaihe 3: Hanki uusia etäisyyksiä

Kun satunnaistettu verkostomme on muodostettu, löydämme yhdistettyjen pisteiden välisen etäisyyden uudelleen käyttämällä etäisyyskaavaa.

Vaihe 4: Valitse piste ja vertaa etäisyyttä pisteestä muihin

Tässä vaiheessa voimme valita kohdepisteen käyttämällä kohdistinta, kuten kuvassa 2. Sinun ei tarvitse siirtää kohdistinta täsmälleen pisteeseen, koska koodi säätää sen lähimpään yhteyspisteeseen. Tätä varten laskemme ensin kaikkien yhdistettyjen pisteiden ja juuri valitsemamme pisteen välisen etäisyyden. Kun kaikki etäisyydet on laskettu, valitaan piste, jolla on pienin etäisyys valitusta pisteestä, ja siitä tulee todellinen valittu piste.

Vaihe 5: Siirry uuteen pisteeseen

Tässä vaiheessa siirrämme pisteen uuteen paikkaan käyttämällä edellisessä vaiheessa valittua pistettä. Tämä liike tehdään valitsemalla uusi sijainti kohdistimella, joka korvaa edellisen sijainnin. Tätä liikettä käytetään simuloimaan jousipituuden muutoksesta johtuvaa voimaa. Täysin sinisessä kuvassa valitaan uusi sijainti. Seuraavassa kuvassa liike voidaan visualisoida oranssien liitosten avulla, jotka ovat uusia paikkoja, toisin kuin siniset yhteydet, jotka olivat vanhoja paikkoja.

Vaihe 6: Voima = K*etäisyys

Tässä vaiheessa käytämme yhtälövoimaa = k*etäisyys, jossa k on vakio 10 kollageenikuiduille. Koska kuituverkko alkaa tasapainotilasta, nettovoima on 0. Luomme nollavektorin, jonka matriisin pituus on aiemmin muodostettu tämän tasapainon esittämiseksi.

Vaihe 7: Muuta verkon liikettä siirretyn pisteen vuoksi

Tässä vaiheessa simuloimme verkon liikettä vastauksena pisteliikkeeseen palatakseen sen tasapainoon. Aloitamme etsimällä uudet etäisyydet kahden pisteen välillä. Tämän avulla voimme löytää muutoksen kuidun pituudessa katsomalla eroa vanhan ja uuden etäisyyden välillä. Voimme myös nähdä, mitkä pisteet ovat siirtyneet, ja myös pisteet, joihin ne on liitetty vertaamalla uusia ja vanhoja pisteitä. Tämän avulla voimme nähdä, mitkä pisteet liikkuisivat vastauksena kohdistuvaan voimaan. Liikkeen suunta voidaan jakaa sen x- ja y -komponentteihin, jolloin saadaan 2D -suuntainen vektori. Käyttämällä k -arvoa, etäisyyden muutosta ja suuntavektoria voimme laskea voimavektorin, jota voidaan käyttää pisteidemme siirtämiseen kohti tasapainoa. Suoritamme koodin tämän osan 100 kertaa, aina kun siirrytään Voiman*.1 askelin. Koodin suorittaminen 100 kertaa antaa meille mahdollisuuden lopulta saavuttaa tasapaino uudelleen ja pitämällä rajaehdot näemme muutoksen verkossa sen sijaan, että yksinkertaisesti koko muutos. Verkon liike näkyy kuviossa 3, kun keltainen on siirretty asema ja sininen edellinen.

Vaihe 8: Valmis koodi

Tässä osassa on kopio koodistamme. Voit vapaasti muokata sitä tarpeidesi mukaan mallintamalla erilaisia verkkoja!