Validation tool for traction force microscopy

Traction force microscopy (TFM) is commonly used to estimate cells’ traction forces from the deformation that they cause on their substrate. The accuracy of TFM highly depends on the computational methods used to measure the deformation of the substrate and estimate the forces, and also on the specifics of the experimental set-up. Computer simulations can be used to evaluate the effect of both the computational methods and the experimental set-up without the need to perform numerous experiments. Here, we present one such TFM simulator that addresses several limitations of the existing ones. As a proof of principle, we recreate a TFM experimental set-up, and apply a classic 2D TFM algorithm to recover the forces. In summary, our simulator provides a valuable tool to study the performance, refine experimentally, and guide the extraction of biological conclusions from TFM experiments.

Cell force measurements in 3D microfabricated environments based on compliant cantilevers.

We report the fabrication, functionalization and testing of microdevices for cell culture and cell traction force measurements in three-dimensions (3D). The devices are composed of bent cantilevers patterned with cell-adhesive spots not lying on the same plane, and thus suspending cells in 3D. The cantilevers are soft enough to undergo micrometric deflections when cells pull on them, allowing cell forces to be measured by means of optical microscopy. Since individual cantilevers are mechanically independent of each other, cell traction forces are determined directly from cantilever deflections. This proves the potential of these new devices as a tool for the quantification of cell mechanics in a system with well-defined 3D geometry and mechanical properties.

Numerical estimation of 3D mechanical forces exerted by cells on non-linear materials

The exchange of physical forces in both cell-cell and cell-matrix interactions play a significant role in a variety of physiological and pathological processes, such as cell migration, cancer metastasis, inflammation and wound healing. Therefore, great interest exists in accurately quantifying the forces that cells exert on their substrate during migration. Traction Force Microscopy (TFM) is the most widely used method for measuring cell traction forces. Several mathematical techniques have been developed to estimate forces from TFM experiments. However, certain simplifications are commonly assumed, such as linear elasticity of the materials and/or free geometries, which in some cases may lead to inaccurate results. Here, cellular forces are numerically estimated by solving a minimization problem that combines multiple non-linear FEM solutions. Our simulations, free from constraints on the geometrical and the mechanical conditions, show that forces are predicted with higher accuracy than when using the standard approaches.

Stabilizing to disruptive transition of focal adhesion response to mechanical forces

Strong mechanical forces can, obviously, disrupt cell-cell and cell-matrix adhesions, e.g., cyclic uniaxial stretch induces instability of cell adhesion, which then causes the reorientation of cells away from the stretching direction. However, recent experiments also demonstrated the existence of force dependent adhesion growth (rather than dissociation). To provide a quantitative explanation for the two seemingly contradictory phenomena, a microscopic model that includes both integrin-integrin interaction and integrin-ligand interaction is developed at molecular level by treating the focal adhesion as an adhesion cluster. The integrin clustering dynamics and integrin-ligand binding dynamics are then simulated within one unified theoretical frame with Monte Carlo simulation. We find that the focal adhesion will grow when the traction force is higher than a relative small threshold value, and the growth is dominated by the reduction of local chemical potential energy by the traction force. In contrast, the focal adhesion will rupture when the traction force exceeds a second threshold value, and the rupture is dominated by the breaking of integrin-ligand bonds. Consistent with the experiments, these results suggest a force map for various responses of cell adhesion to different scales of mechanical force. PMID: 20542514

Emerging modes of collective cell migration induced by geometrical constraints.

The role of geometrical confinement on collective cell migration has been recognized but has not been elucidated yet. Here, we show that the geometrical properties of the environment regulate the formation of collective cell migration patterns through cell-cell interactions. Using microfabrication techniques to allow epithelial cell sheets to migrate into strips whose width was varied from one up to several cell diameters, we identified the modes of collective migration in response to geometrical constraints. We observed that a decrease in the width of the strips is accompanied by an overall increase in the speed of the migrating cell sheet. Moreover, large-scale vortices over tens of cell lengths appeared in the wide strips whereas a contraction-elongation type of motion is observed in the narrow strips. Velocity fields and traction force signatures within the cellular population revealed migration modes with alternative pulling and/or pushing mechanisms that depend on extrinsic constraints. Force transmission through intercellular contacts plays a key role in this process because the disruption of cell-cell junctions abolishes directed collective migration and passive cell-cell adhesions tend to move the cells uniformly together independent of the geometry. Altogether, these findings not only demonstrate the existence of patterns of collective cell migration depending on external constraints but also provide a mechanical explanation for how large-scale interactions through cell-cell junctions can feed back to regulate the organization of migrating tissues.

基于滑转率的六轮纵列式月球车驱动控制研究

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.

Desempenho operacional de um protótipo “aerossolo”

It is been a great deal of interest the studying of the operational performance of tractors and its machinery especially in work conditions. The present study had as objective to evaluate the operational performance of an Aerossolo prototype tracked with a Valtra BM100 4x2 TDA, with the engine power of 73.6 kW (100 cv). The prototype equipment is a drag type, hydraulically commanded, with telescopic heading for longitudinal adjustment, two lateral sections with 28 knifes in each one of them, concrete ballasts, wheels of transport and aggregate breaker coil. The work was conducted in the Department of Agricultural Engineering of the UNESP, Jaboticabal Campus, in a randomized blocks design, factorial 3 x 3, with four repetitions. The nine studied treatments were a combination for three ballast conditions (0; 960 and 1,307 kg) and three angles of the sections (0 degrees; 7 degrees and 14 degrees). The results indicate an increase in operational consumption (liters per hectare) of 32.4% in relation to the concrete ballast addition, and a 26.8% in relation to the angle variation between sections. The working depth, traction force and power demands were higher with the increases in the concrete ballast and the angle variation between sections.

Semeadora-adubadora: exigências em função do preparo do solo, da pressão de inflação do pneu e da velocidade

As semeadoras-adubadoras, responsáveis pela correta adição de semente e adubo ao solo, possuem mecanismos dosadores acionados por suas rodas motrizes, que giram em função do contato com a superfície do solo. Esse contato é influenciado, entre outros fatores, pela pressão de inflação dos pneus. O objetivo do presente trabalho foi estudar o desempenho de uma semeadora-adubadora de precisão em função do preparo do solo (preparo convencional e plantio direto), das velocidades de deslocamento e da pressão de inflação do seu pneu. O trabalho foi realizado na UNESP de Jaboticabal (SP) no ano de 2006. Foram avaliadas as seguintes variáveis: força de tração e potência na barra, consumo de combustível (horário, ponderal, operacional e específico), capacidade de campo operacional, patinagem dos rodados do trator e da semeadora-adubadora, estande inicial e distribuição longitudinal de sementes. O sistema plantio direto demandou maior força (35 %), potência e consumo horário de combustível; o mesmo aconteceu na maior velocidade. A pressão de inflação das rodas da semeadora proporcionou menor patinagem e maior estande inicial de plântulas.

Demanda energética e eficiência da distribuição de sementes de milho sob variação de velocidade e condição de solo

O trabalho teve o objetivo de avaliar a demanda energética e a eficiência da distribuição de sementes de uma semeadora-adubadora para semeadura direta, submetida à variação de velocidade e condições de solo, na semeadura da cultura do milho. O estudo foi desenvolvido em um Nitossolo Vermelho distrófico, na Fazenda Experimental Lageado, no município de Botucatu - SP. O delineamento experimental foi em blocos casualizados, com oito repetições, combinando-se três velocidades de deslocamento (4,4; 6,1 e 8,1 km h-1) e duas condições de solo (solo manejado sob sistema de plantio direto há cinco anos e solo preparado com escarificador há 18 meses). Avaliaram-se a força de tração, a potência na barra de tração, o consumo de combustível, a capacidade de campo efetiva, a distribuição longitudinal de plantas, o coeficiente de variação, o índice de precisão e o número de plantas por hectare (estande inicial). Os resultados revelaram que, aumentando-se a velocidade de 4,4 para 8,1 km h-1, consegue-se aumentar em 86% a capacidade operacional, com incremento de 96% na demanda de potência na barra de tração e redução de 26% no consumo operacional de combustível. A maior velocidade (8,1 km h-1) proporcionou menor porcentual de espaçamentos normais e aumento no porcentual de espaçamentos múltiplos e falhos, maior coeficiente de variação e pior índice de precisão. A variação da velocidade não interferiu no número de plantas por hectare.

Avaliação de semeadora-adubadora de precisão trabalhando em três sistemas de preparo do solo

Avaliou-se uma semeadora-adubadora de precisão com quatro linhas, na cultura do milho (Zea mays L.), trabalhando em Latossolo Vermelho-Escuro eutrófico, A moderado, textura argilosa. As parcelas experimentais foram dispostas em blocos casualizados, com quatro repetições, em esquema fatorial 3 x 3, totalizando 36 observações. Os fatores foram dados pelos sistemas de preparo do solo (convencional, plantio direto e reduzido) e pelas marchas do trator (3ª reduzida alta, 4ª reduzida baixa e 4ª reduzida alta). Foram analisadas as variáveis velocidade de deslocamento, queda de velocidade, força de tração e potência na barra, consumo de combustível, rotação do motor e patinagem média dos rodados do trator. Os resultados mostraram que a operação de semeadura em solo sob preparo reduzido apresentou maior consumo de combustível, menor velocidade de deslocamento, menor capacidade de campo efetiva e maior patinagem.

Operational parameters of soybean seeding in santa fe system

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Caracterização física do solo e desempenho operacional de máquinas agrícolas na implantação da cultura do sorgo forrageiro

Forage sorghum can be grown in areas presenting dry and hot environmental situations where the yield of other grasses can often be uneconomical. The objective of this study was to analyze the operating performance of agricultural machines in the deployment of sorghum forage in four tillage systems, as follows: no-tillage system, disk harrow + seeding, disk harrow + two light disking + seeding, minimum tillage + seeding and four seeding different speeds, as follows: 3, 5, 6 and 9 km h(-1). The study was performed under field conditions in FCA/UNESP, Botucatu County, SP, Brazil. The data were subjected to variance analysis in a simple factorial 4 x 4, and a random block design with split plots. Operational performance of the agricultural machinery, physical characteristics the soil, its water content and the yield of dry matter and green sorghum were determined. The operational performance of agricultural machines in the deployment of sorghum forage is influenced by the sowing speed and the soil tillage system used. Chisel plow was the equipment that required the highest mean traction force, mean traction and slip, as well as the lowest mean speed for the studied tillage system. Forage sorghum showed higher yields in no-tillage systems at a seeding speed of 5 km h(-1).

UMEB - Unidade Móvel para Ensaio da Barra de Tração

Um equipamento denominado Unidade Móvel de Ensaio da Barra de Tração - UMEB, foi desenvolvido na FCA/UNESP de Botucatu para realizar ensaios de tratores em solo agrícola. Construída a partir de um reboque (trailer), a UMEB foi adaptada para servir como carro dinamométrico instrumentado, utilizado na avaliação do desempenho de tratores submetidos a ensaios na barra de tração. Sua massa total é de 10.500 kg sustentados por um conjunto de seis rodados pneumáticos. Ensaios de campo mostraram que a UMEB proporcionou força de tração acima de 35 kN, mantendo-a constante, em diferentes condições de superfície do solo, mesmo quando a velocidade de deslocamento foi modificada.

Desempenho operacional de uma semeadora-adubadora de precisão, em função do preparo do solo e do manejo da cobertura de inverno

Avaliou-se o desempenho operacional de campo de uma semeadora-adubadora de precisão, equipada com seis linhas espaçadas de 550 mm, em um solo muito argiloso, classificado como Nitossolo Vermelho Distrófico Latossólico, na semeadura do feijoeiro (Phaseolus vulgaris L.). Os tratamentos consistiram de três métodos de preparo do solo: a) convencional (uma aração com arado de discos e duas gradagens niveladoras); b) escarificação (uma passagem de escarificador conjugado com rolo destorroador), e c) semeadura direta. Esses procedimentos foram combinados com quatro condições de cobertura do solo no inverno (consórcio aveia-preta + nabo forrageiro manejados com rolo-faca, triturador de palhas, herbicida e solo em pousio). Os métodos de preparo do solo e os manejos da cobertura foram repetidos por três anos consecutivos. Os valores de força e pico de força de tração na barra, patinagem dos rodados motrizes e consumo de combustível foram maiores no preparo com escarificador em relação aos obtidos no preparo convencional e na semeadura direta. A capacidade de campo efetiva foi maior na semeadura direta em relação aos outros tratamentos. Os manejos efetuados nas coberturas vegetais e o solo mantido em pousio não influenciaram em nenhuma das variáveis.

Tumor Necrosis Factor alpha and Interleukin-1 beta Modulate Calcium and Nitric Oxide Signaling in Mechanically Stimulated Osteocytes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)