Устройство машины: Устройство автомобиля от А до Я для чайников

Детали машин в автомобиле

В рамках ознакомления с компонентами машин некоторые образцы, поставляемые с автомобилями, представляют ценность.В автомобиле основная проблема состоит в том, чтобы использовать взрывной эффект бензина, чтобы обеспечить вращение задних колес. Взрыв бензина в цилиндрах толкает поршни вниз, и передача и преобразование этого поступательного (линейного) движения во вращательное движение коленчатого вала осуществляется шатунами, которые соединяют каждый поршень с кривошипами, которые являются частью коленчатого вала. . Комбинация поршня, цилиндра, кривошипа и шатуна известна как кривошипно-ползунковый механизм; это широко используемый метод преобразования поступательного движения во вращение (как в двигателе) или вращения в поступательное движение (как в насосе).

Для впуска бензиновоздушной смеси в цилиндры и отвода сгоревших газов используются клапаны; они открываются и закрываются за счет заклинивания кулачков (выступов) на вращающемся распределительном валу, который приводится в движение от коленчатого вала шестернями или цепью.

В четырехтактном двигателе с восемью цилиндрами коленчатый вал получает импульс в некоторой точке по своей длине каждые четверть оборота. Чтобы сгладить влияние этих прерывистых импульсов на частоту вращения коленчатого вала, используется маховик.Это тяжелое колесо, прикрепленное к коленчатому валу, которое своей инерцией противодействует любым колебаниям скорости и смягчает их.

Поскольку крутящий момент (сила поворота), который он передает, зависит от его скорости, двигатель внутреннего сгорания не может быть запущен под нагрузкой. Чтобы автомобильный двигатель можно было запустить в ненагруженном состоянии, а затем подключить к колесам без остановки, необходимы сцепление и трансмиссия. Первый устанавливает и разрывает соединение между коленчатым валом и трансмиссией, тогда как последний изменяет конечными шагами соотношение между входной и выходной скоростями и крутящие моменты трансмиссии.На низкой передаче выходная скорость низкая, а выходной крутящий момент выше крутящего момента двигателя, так что автомобиль может начать движение; на высокой передаче автомобиль движется со значительной скоростью, а крутящий момент и скорость равны.

Оси, к которым прикреплены колеса, содержатся в картере заднего моста, который закреплен на задних пружинах и приводится в движение от трансмиссии приводным валом. Когда автомобиль движется и пружины изгибаются в ответ на неровности дороги, корпус перемещается относительно трансмиссии; Чтобы разрешить это движение, не мешая передаче крутящего момента, к каждому концу приводного вала прикреплен универсальный шарнир.

Приводной вал перпендикулярен задним мостам. Прямоугольное соединение обычно выполняется с коническими зубчатыми колесами, имеющими такое передаточное отношение, при котором оси вращаются со скоростью от одной трети до одной четвертой скорости приводного вала. В картере заднего моста также находятся дифференциалы, которые позволяют обоим задним колесам приводиться в движение от одного источника и вращаться с разной скоростью при повороте.

Как и все движущиеся механические устройства, автомобили не могут избежать воздействия трения.В двигателе, трансмиссии, картере заднего моста и всех подшипниках трение нежелательно, так как оно увеличивает мощность, требуемую от двигателя; смазка уменьшает, но не устраняет это трение. С другой стороны, трение между шинами и дорогой, а также в тормозных колодках делает возможным сцепление и торможение. Ремни, приводящие в движение вентилятор, генератор и другие аксессуары, являются устройствами, зависящими от трения. Трение также полезно при работе сцепления.

Некоторые из перечисленных выше устройств присутствуют в машинах всех категорий, собранных множеством способов для выполнения всех видов физических задач.Функция большинства этих основных механических устройств заключается в передаче и изменении силы и движения. Другие устройства, такие как пружины, маховики, валы и крепежные детали, выполняют дополнительные функции.

Машина может быть дополнительно определена как устройство, состоящее из двух или более устойчивых, относительно ограниченных частей, которые могут служить для передачи и изменения силы и движения для выполнения работы. Требование, чтобы части машины были стойкими, подразумевает, что они способны выдерживать приложенные нагрузки без сбоев или потери функции.Хотя большинство деталей машин представляет собой твердые металлические тела подходящих размеров, также используются неметаллические материалы, пружины, органы давления жидкости и органы натяжения, такие как ремни.

Ограниченное движение

Наиболее отличительной особенностью машины является то, что части соединены между собой и направляются таким образом, что их движения относительно друг друга ограничены. По сравнению с блоком, например, поршень поршневого двигателя вынужден цилиндром двигаться по прямой траектории; точки на коленчатом валу ограничены движением коренных подшипников по круговой траектории; никакие другие формы относительного движения невозможны.

На некоторых машинах детали ограничены только частично. Если части соединены между собой пружинами или фрикционными элементами, траектории частей относительно друг друга могут быть фиксированными, но на движения частей могут влиять жесткость пружин, трение и массы частей.

Если все части машины представляют собой сравнительно жесткие элементы, прогибы которых под нагрузкой незначительны, то ограничение можно считать полным, и относительные движения частей могут быть изучены без учета сил, которые их создают.Например, для заданной частоты вращения коленчатого вала поршневого двигателя можно рассчитать соответствующие частоты вращения точек на шатуне и поршне. Определение перемещений, скоростей и ускорений частей машины для заданного входного движения является предметом кинематики машин. Такие расчеты можно производить без учета задействованных сил, поскольку движения ограничены.

В чем разница между машиной и устройством?

В чем разница между машиной и устройством? Это только два имени для одного и того же объекта? Можно ли назвать машину «устройством» и наоборот? Жду определений и объяснений.Спасибо!

@ hsirah5 • 24 мая, 2012 Точно так же, как разница между элементом и соединением в химической терминологии … Машина может быть одним простым инструментом или комбинацией инструментов, в то время как устройство — это инструмент, разработанный с использованием нескольких или более простых машин, нацеленных на конкретное действие / процедуру. ..
Например: — Железный прут, который можно использовать для перемещения или катания объекта, представляет собой простую машину; в то время как гидравлический автомобильный домкрат, который используется для подъема шасси транспортного средства, является устройством.
Надеюсь, это дает хорошую идею.. 😎

, например, в вышеупомянутой консервации железный стержень представляет собой машину, поскольку она может выполнять множество функций, таких как перемещение объекта или его подъем, а также многие другие функции, которые не включены в гидравлический домкрат.Однако гидравлический домкрат имеет определенное назначение и конструкцию.

Таким образом, машина является фундаментальным строительным блоком устройства, и одна и та же машина может использоваться в качестве нескольких различных устройств. Однако обратное неверно.

машина относится к чему-то механическому и имеет движущиеся части.

Устройство представляет собой нечто электронное и статичное.

Machine — это все, что сокращает человеческие усилия, в то время как устройство используется для обеспечения бесперебойной работы машины.Каждая машина — это устройство, но не каждое устройство — это машина.

С уважением
Энтони

@Sourabh Sandal • 21 августа 2013 г. Любое мнение о Трансформере: это машина или устройство?

Sourabh Sandal

Любое мнение о Трансформере. Это машина или устройство?

@lal • 21 авг, 2013 • Нравится: 1 Трансформатор также называют «машиной» постоянного потока или «машиной» постоянной мощности 😁

@Naman Agarwal • 09 сен, 2013 Машины — это устройства, способные к непрерывному электромеханическому преобразованию энергии, такие как двигатели, генераторы.Вот почему согласно этому определению трансформаторы не считаются машинами, поскольку они только изменяют уровень электрической энергии.

и машина, конечно же, созданы руками человека, которые помогают сократить человеческие усилия.

aarthivg

в чем разница между машиной и устройством?

naman2511

Машины — это устройства, способные к непрерывному электромеханическому преобразованию энергии, такие как двигатели, генераторы. Вот почему согласно этому определению трансформаторы не считаются машинами, поскольку они только изменяют уровень электрической энергии.

Двигатель внутреннего сгорания — тоже машина. Никакого электромеханического преобразования энергии в этом тоже нет!

Трансформатор иногда называют «самой производительной машиной»!

Устройство представляет собой простые строительные блоки машин

lal

Тогда почему компьютер называется машиной? 😁 Нет никакого электромеханического преобразования энергии, как в двигателях и генераторах в компьютере!

Двигатель внутреннего сгорания — тоже машина.Никакого электромеханического преобразования энергии в этом тоже нет!

Трансформатор иногда называют «самой производительной машиной»!

naman2511

знающих человека не называют компьютер машиной … Это язык леймана ..

@Naman Agarwal • 04 окт, 2013 Похоже, ты никогда не работал на компьютерах.Вот почему вы балуете другого человека. Тем не менее позвольте мне сказать вам … comupter — это не машина … дальше вы знаете …

@Anoop Kumar • 04 окт, 2013 Наверное, да, сир, потому что я отправляю это от Лизы.

@lal • 04 окт, 2013 Итак, что такое «машинный язык»? 😁 Должен быть термин непрофессионала!

@ yogi.bharadwaj • 05 окт, 2013 Я думаю, что m / c — это устройство, которое требует какого-либо источника входного питания любого рода, электрического или механического, но устройством может быть что угодно, оно также включает в себя машину или мини-части машины, или вся машина является устройством.и машина всегда уменьшает человеческие усилия, но устройство не может быть в этой категории. но человеку нужны и машина, и устройство, но мы можем сказать, что все машины являются устройствами, но все устройства не могут быть машинами. если я ошибаюсь Пожалуйста, поправьте меня, друзья.

@Dinesh Patra • 11 окт, 2015 Я думаю, что у машины есть движущиеся части, но у устройств могут быть как статические, так и движущиеся части, которые определенно могут совершать определенные преобразования.

Примеры машин: лифт, автомобиль или персональный настольный компьютер (у него есть вентиляторы, которые являются движущимися частями).

Устройство может быть молотком, ломом (хотя их можно перемещать, их природа как инструмента — оставаться статичными) или мобильным телефоном / смартфоном / планшетом (но как только вы добавите что-то вроде охлаждающего вентилятора, оно превратится в машину ).

Машина:

• Машина имеет движущиеся части, такие как шкивы, рычаг, винт, ось и т. Д.Означает, что машина представляет собой совокупность движущихся частей.
• Машина сокращает человеческие усилия, затраты и время
• Каждая машина — это устройство.
• Например: Часы, Калькулятор и т. Д.

Устройство:

• Устройство может представлять собой комбинацию машин, предназначенных для выполнения определенной задачи.
• Устройство может быть механическим или электрическим.
• Каждое устройство — это не машина.
• Например: принтер, клавиатура, компьютер и т. Д.

границ | Анализ факторов, ограничивающих рост бактерий в материнских машинах PDMS

Введение

Оптическая микроскопия с высоким разрешением — самый распространенный метод изучения бактериальной клеточной организации и физиологии на уровне отдельных клеток.Самые ранние исследования проводились с использованием фиксированных клеток, которые прикрепляли к предметным стеклам микроскопа. Однако как фиксация, так и прикрепление клеток к предметным стеклам изменяют субклеточную организацию и могут привести к артефактам визуализации. В качестве менее инвазивного метода подготовки тонкие агарозные подушечки, помещенные между покровным стеклом микроскопа и покровным стеклом, были приняты многочисленными группами (например, в недавних отчетах Bailey et al., 2014; Adiciptaningrum et al., 2015). Поскольку тонкий слой агарозы склонен к высыханию, можно использовать более толстые слои агарозы в чашках Петри с дном покровного стекла (Männik et al., 2017). Чашки и подушечки позволяют визуализировать живые клетки после нескольких удвоений (обычно 4–5). Более длительная визуализация затруднена, потому что отдельные клетки начинают перекрываться. Более того, клетки внутри колонии испытывают среду роста, отличную от клеток на периферии, и, следовательно, растут с разной скоростью. Неясно, как долго, если вообще, можно поддерживать стабильные условия роста на подушках.

Для воспроизводимых количественных исследований необходим стабильный рост клеток.Чтобы иметь возможность выращивать клетки в устойчивых условиях, физическая и химическая среда клеток должна оставаться неизменной с течением времени. Более того, клетки не должны перекрываться по мере роста. На практике это означает, что размер колонии должен оставаться неизменным, несмотря на экспоненциальный рост количества клеток с течением времени. Для достижения этих требований за последнее десятилетие были разработаны различные микрофлюидные платформы (Hol and Dekker, 2014). Разработанные устройства либо улавливают клетки в узких каналах, сопоставимых с диаметром поперечного сечения бактерий (Wang et al., 2010; Моффитт и др., 2012; Long et al., 2013) или держите их в неглубоких камерах, где бактерии ограничены одним слоем (Männik et al., 2012; Ullman et al., 2013). В последнем случае бактерии растут рядом друг с другом, и количественный анализ отдельных клеток становится более сложным. Помимо обеспечения стабильной среды для роста, микрофлюидика также может использоваться для введения различных химических (Baltekin et al., 2017; Kaiser et al., 2018) и физических стимулов (Yang et al., 2015) к клеткам in situ. , пока они отображаются под микроскопом.

Из этих различных конструкций наиболее распространенной была так называемая платформа материнской машины (Wang et al., 2010), где клетки растут в коротких (длиной 10-25 мкм) тупиковых каналах (Figure 1A). Преимущество тупиковых каналов по сравнению с каналами, у которых оба конца открыты, заключается в более длительном времени удерживания ячеек. Колебания давления с большей вероятностью вытеснят клетки из каналов, у которых оба конца открыты. В конструкции материнской машины все ячейки в каналах являются клонами материнской ячейки, которая находится на тупиковой стороне канала.Размер колонии остается фиксированным во времени, потому что поток в основном канале смывает лишние клетки, которые растут из тупиковых каналов. Тот же поток также поддерживает постоянную среду среды в каналах роста, пополняя запасы питательных веществ и удаляя продукты метаболизма. Считается, что оба обмена происходят посредством диффузии (Wang et al., 2010). Распространение может установить предел доступности питательных веществ для клеток на тупиковой стороне канала. Для увеличения скорости диффузии была реализована конструкция с неглубокими резервуарами, окружающими тупиковые каналы (Norman et al., 2013; Cabeen et al., 2017). Эти резервуары обеспечивают диффузию питательных веществ из основного канала, но они достаточно мелкие, чтобы клетки не могли их заселить. Более быстрого обмена средами можно также добиться, отводя часть потока мимо ячеек через небольшое отверстие на «тупиковой» стороне канала. Чтобы позволить потоку среды, отверстие должно быть достаточно маленьким, чтобы предотвратить прохождение клеток. Такие каналы недавно были изготовлены и протестированы (Baltekin et al., 2017; Jennings, 2017).Однако изготовление этих устройств является довольно сложной задачей, особенно для бактерий меньшего размера, таких как E. coli , растущих в плохой среде, потому что отверстие на тупиковой стороне должно быть шириной не более 300 нм, чтобы предотвращают продавливание клеток через деформируемые отверстия (Männik et al., 2009; Jennings, 2017).

Рисунок 1 . Дизайн микрожидкостного чипа. (A) Схема расположения каналов материнской машины. Клетки растут в тупиковых каналах.Питательные вещества диффундируют в клетки из основного канала, где поддерживается постоянный поток. Этот поток также удаляет продукты обмена веществ и смывает лишние клетки. Рост материнской клетки в конце канала изучается как функция ширины и длины канала. (B) СЭМ-изображения кремниевой формы, показывающие образцы двух каналов разного размера. (C) Каналы образуют законченное устройство PDMS, отображаемое с помощью фазово-контрастной микроскопии. Длина канала на двух изображениях варьируется от 20 до 50 мкм.Всего на одном кристалле имеется 150 каналов каждой длины.

использовалась для изучения старения клеток (Wang et al., 2010), контроля клеточного цикла (Taheri-Araghi et al., 2015) и влияния механических сил на рост клеточной стенки (Amir et al., 2014 ). Эти устройства также использовались в исследованиях регуляции генов (Norman et al., 2013; Cabeen et al., 2017; Kaiser et al., 2018) и устойчивости к антибиотикам (Baltekin et al., 2017). Новые вычислительные платформы с открытым исходным кодом были специально разработаны для сегментации и анализа ячеек на платформе материнской машины (Sachs et al., 2016; Kaiser et al., 2018). Несмотря на такой широкий интерес, рост бактерий в узких тупиковых каналах систематически не сравнивался с их ростом в типичных условиях жидкой среды. Также не было определено, какие фенотипические различия проявляются в клетках, которые растут в таких микрофлюидных устройствах. Здесь мы анализируем пищевые и механические ограничения роста клональных культур E. coli в микрофлюидных тупиковых каналах различной ширины и длины (рис. 1А). Мы находим, что E.coli адаптируется к среде ограниченного канала, становясь значительно уже и длиннее, чем те же бактерии в жидких культурах. Хотя соотношение сторон изменяется, объем клеток остается примерно таким же для клеток, растущих в коротких каналах, по сравнению с теми, которые растут в тех же условиях среды в жидких культурах. При увеличении длины каналов скорость роста и объем клеток уменьшаются до тех пор, пока рост клеток полностью не прекращается в более длинных каналах. Мы связываем полное прекращение роста с высоким уровнем механического стресса, вызванным ростом колоний, а не с ограничениями в питательных веществах.Интересно, что стресс в этих 1D-колониях может достигать уровней, достаточных для деформации клеток и их роста до неправильной формы.

Материалы и методы

Проектирование и производство микрожидкостных устройств

Гидравлическая схема в каждой микросхеме состоит из основного канала для подачи среды и удаления отходов и 600 тупиковых каналов, подключенных к основному каналу (рис. 1A) в соответствии с типовой схемой материнской машины (Wang et al., 2010). Расчетная длина тупиковых каналов варьируется от 15 до 200 мкм, а ширина от 0.От 6 до 1,0 мкм. Производство микрофлюидных устройств основано на мягкой литографии полидиметилсилоксановых (ПДМС) эластомеров (Weibel et al., 2007).

Каналы в эластомерах PDMS создаются с использованием 4-дюймовых форм для кремниевых (Si) пластин. Изготовление Si-форм следует процессу, описанному ранее (Yang et al., 2015). Вкратце, структура тупиковых каналов определяется методом электронно-лучевой литографии с использованием системы электронно-лучевой литографии JEOL JBX-9300FS (JEOL, Япония) с ZEP520A, электронно-лучевым резистом положительного тона (ZEON Chemical, Япония).После записи электронным пучком и проявления резиста наносится слой хрома толщиной 15 нм. Затем слой резиста с электронным пучком снимается с помощью обработки ультразвуком в ацетоновой ванне. Травление кремния на глубине 1,2 мкм проводят в системе реактивного ионного травления с индуктивно связанной плазмой Oxford Plasmalab 100 (Oxford Instruments, Массачусетс). Слой Cr действует как маска для травления Si. Образцы для больших каналов потока определены с помощью фотолитографии SU-8 2015 (MicroChem, MA). Рельефы, получаемые в результате этого шага, имеют типичную высоту 20 мкм.Затем формы силанизируют в эксикаторе с использованием (тридекафтор-1,1,2,2-тетрагидрооктил) -1-трихлорсилана (UCT Specialties, Калифорния) в течение не менее 15 минут.

PDMS (комплект Sylgard 184, Dow Corning, MI) отливают в форму в соотношении массы основы / линкера 10: 1. ПДМС выпекают при 90 ° C в течение 20 минут в конвекционной печи, а затем оставляют в духовке еще не менее двух часов, пока духовка не остынет с 90 ° C. Вырезаются отдельные узоры и пробиваются отверстия для доступа к основным каналам с помощью иглы для биопсии.Эти части впоследствии приклеиваются к покровным стеклам. Для склеивания покровные стекла № 1.5 очищают изопропиловым спиртом (оба от Thermo Fisher Scientific, NH) обработкой ультразвуком, а затем обрабатывают плазмой O ₂ при 200 мТорр в течение 70 с. Кусочек эластомера PDMS и покровные стекла дополнительно обрабатывают плазмой O ₂ в течение 7 секунд перед склеиванием. После склеивания чипы оставляют при комнатной температуре не менее чем на 12 ч перед началом измерений живых клеток.

Высота и ширина каналов измеряются в Si-форме.Для измерения высоты используется профилометр KLA-Tencor P-6 Stylus (KLA-Tencor Corporation, Калифорния). Высота всех тупиковых каналов в различных микрофлюидных чипах находится в пределах 1,15 ± 0,05 мкм. Ширина каналов измеряется с помощью SEM и точно соответствует их проектной ширине (разница менее 20 нм) (рис. 1B). Длина этих каналов, измеренная по оптическим изображениям готовых микросхем (рис. 1C), также точно соответствует их расчетным значениям.

Бактериальный штамм и культивирование

Во всех измерениях E.coli штамм AJ5. Штамм создан из штамма BW25113 (Даценко и Ваннер, 2000) путем трансдукции P1 лизатом из штамма FW1401 (Wu et al., 2015). Полученный штамм несет последовательность tagRFP-T вместе с кассетой устойчивости к канамицину, заменяющей leuB . Для эксперимента колонию из чашки LB выращивают в течение ночи при 28 ° C со встряхиванием в минимальной среде M9. Среда состоит из солей M9 (Teknova, CA) с добавлением 2 мМ сульфата магния (MgSO ₄ ), 0.5% (мас. / Об.) Глюкозы (Sigma-Aldrich, Миссури), 0,2% казаминовых кислот (ACROS Organics, Нью-Джерси). В жидкую среду добавляют 25 мкг / мл канамицина (Sigma-Aldrich, Миссури) для отбора.

Эксперимент с микрожидкостным чипом

Перед инокуляцией клеток на микрофлюидный чип 0,1% (мас. / Об.) Бычий сывороточный альбумин (BSA, Sigma-Aldrich, MO) добавляют к ночной жидкой культуре (OD ₆₀₀ > 0,8). Затем клетки 100 раз концентрируют в той же среде. Около 2 мкл концентрированной культуры вводят в микрофлюидное устройство с помощью пипетки и оставляют при 28 ° C.После того, как удовлетворительное количество тупиковых каналов заполнено хотя бы одной ячейкой (требуется минимум 20 мин), к устройству будут подключены трубки, и начнется поток свежей среды M9. Используемая среда такая же, как и для ночной культуры, но с добавлением 0,1% BSA для предотвращения прилипания клеток к поверхностям основных каналов. Среда не содержит антибиотиков. Скорость потока этой среды поддерживается на уровне 4,5 мкл / мин с помощью шприцевого насоса NE-1000 (New Era Pump Systems, Нью-Йорк). Микрокультуры выращивают при 28 ° C в течение не менее 14 часов перед тем, как начать визуализацию.

Измерения жидких культур

Для измерения времени удвоения в жидкой культуре клетки выращивают в среде M9 в течение ночи (OD ₆₀₀ > 0,8). Состав среды такой же, как и при измерениях микрожидкостного чипа. Затем культуру разбавляют по крайней мере в 100 раз свежей средой M9. OD культуры измеряют при λ = 600 нм с использованием спектрофотометра GENESYS 20 Visible (Thermo Fisher Scientific, NH) с 30-минутными интервалами вне инкубатора. Линейная область логарифма (OD) vs. t Кривая используется для определения времени удвоения (дополнительный рисунок 1).

Для измерения размеров клеток в жидкой культуре клетки выращивают до средней логарифмической фазы (OD ₆₀₀ ~ 0,15), концентрируют в 50 раз и затем распределяют на 2% агарозной подушке с тем же составом среды M9, что и в других измерениях. Клетки визуализируются в течение 30 мин после распределения на подушечку.

Микроскопическая визуализация

Инвертированный эпифлуоресцентный микроскоп Nikon Ti-E (Nikon Instruments, Япония) со 100-кратным увеличением (NA = 1.45) масляно-иммерсионный фазово-контрастный объектив (Nikon Instruments, Япония) используется для визуализации бактерий. Изображения снимаются на камеру iXon DU-897 EMCCD (Andor Technology, Великобритания) и записываются с помощью программного обеспечения NIS-Elements (Nikon Instruments, Япония). Флуорофоры возбуждаются ртутной лампой мощностью 200 Вт через фильтр нейтральной плотности ND4. Фильтрующий куб Chroma 41004 (Chroma Technology Corp., VT) используется при захвате флуоресцентных изображений. При покадровой съемке используются моторизованный столик и совершенная система фокусировки.Около 100 тупиковых каналов для каждого размера канала отображается в каждом измерении в течение 6-часового периода или дольше (не менее 5 удвоений).

Анализ изображений

Анализ изображений выполнялся с использованием скриптов Matlab (MathWorks, MA) на основе Matlab Image Analysis Toolbox, Signal Processing Toolbox и DipImage Toolbox. ImageJ использовался для подготовки отдельных изображений для фигур и фильмов SI.

Измерения длины ячеек

И длину, и ширину клеток измеряют по флуоресцентным изображениям цитоплазматической метки tagRFP-T.Сначала необработанные флуоресцентные изображения преобразуются во вторые производные изображения с помощью функции DipImage laplace_plus_dgg , которая вычисляет лапласиан и вторую производную в направлении градиента изображения (Verbeek and Vanvliet, 1994). Установление порога второго производного изображения на основе пересечения нуля дает двоичное изображение, которое затем размывается и расширяется для разрешения отдельных ячеек и их заполнения, соответственно. Длины клеток измеряются по этим двоичным изображениям. Измерение заключается в нахождении наибольшего диаметра Ферета для каждой ячейки с помощью функции measure из DipImage.

Измерения ширины ячеек

На основе бинарных масок ячеек из предыдущего шага определяются координаты центра масс серого значения и координаты длинных осей ячеек. Затем вычисляется линия, перпендикулярная длинным осям ячейки, проходящая через центр ячейки. Чтобы улучшить определение ширины ячейки, рассчитывается дополнительный набор линий, где ориентация относительно предыдущей линии изменяется с небольшими угловыми шагами. Для каждой ориентации определяется профиль интенсивности из флуоресцентного изображения, и этот профиль подгоняется к гауссову.Затем среди всех подгонок находится гауссиан с наименьшей шириной. Из-за дифракции дисперсия Гаусса примерно на 0,04 мкм меньше, чем диаметр цитоплазмы клетки в нашей установке (Männik et al., 2009). К диаметру цитоплазмы добавляют дополнительные 0,04 мкм, чтобы учесть ширину периплазматического пространства и внешнего мембранного слоя клетки. Таким образом, окончательная рассчитанная ширина соответствует внешнему диаметру ячейки.

Измерение объема клеток

Для определения объема ячейки мы предполагаем, что каждая ячейка представляет собой цилиндр с двумя полусферическими крышками.Объем, V _c , в зависимости от длины ячейки L _c и ширины W _c , составляет:

Статистический анализ

Было выполнено три повторных измерения клеток для каждого размера канала и для жидких культур. Средняя длина ячейки, ширина, объем и время удвоения были рассчитаны на основе средних значений этих трех измерений. Планки погрешностей, связанные с вышеуказанными измерениями, представляют собой стандартные ошибки, которые были рассчитаны на основе средних значений трех измерений.Для графика универсального закона роста планки ошибок были рассчитаны путем распространения случайных ошибок для объемов и времени удвоения. Для проверки статистической значимости использовался тест Велча t . Этот тест более надежен, чем тест Стьюдента t , когда размеры выборки различны. Для оценки корреляций использовался Pearson R.

Результаты

Зависимость роста материнских клеток от ширины канала

Чтобы исследовать, как ширина канала влияет на скорость роста и размеры клеток, мы изготовили каналы 0.6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0 и 1,2 мкм в ширину, 1,15 мкм в высоту и 15 и 20 мкм в длину на одном кристалле. Ожидается, что выбранная ширина канала будет близка к диаметру ячейки в этих условиях роста. Большинство каналов шириной 0,8, 0,9 и 1,0 мкм имели стабильные бактериальные популяции, которые заполняли весь канал. Клетки в этих популяциях росли отдельными рядами (рис. 2А, дополнительные видео 1, 2). В каналах шириной 1,2 мкм клетки росли двумя параллельными рядами, поэтому эти каналы не подходили для анализа.С другой стороны, каналы шириной 0,6 мкм были слишком узкими, чтобы поддерживать стабильный рост колоний. Хотя изначально в эти каналы загружалось несколько клеток, все они вышли из каналов до начала визуализации. То же самое произошло и с большинством каналов шириной 0,7 мкм (дополнительное видео 3). Однако в некоторых каналах шириной 0,7 мкм (8 из 200) присутствовали стабильные популяции, которые можно было визуализировать. В каналах шириной 0,6 и 0,7 мкм бактерии оказались шире канала, вызывая деформацию стенок канала (дополнительный рисунок 2).Обратите внимание, что в каналы загружали бактерии из ночных стационарных культур. Эти клетки значительно уже, чем клетки с логарифмической фазой (Männik et al., 2009), и это сделало возможным их проникновение в каналы шириной 0,6 и 0,7 мкм. Когда клетки начали расти в свежей среде в этих каналах, их диаметр расширился за пределы ширины канала. Более высокая деформируемость открытых концов каналов могла обеспечить движущую силу, которая выталкивала ячейки из каналов.

Рисунок 2 .Бактериальный рост в каналах. (A) Составное фазовое и флуоресцентное изображения двух каналов разного размера, заполненных tagRFP-T, маркированным E. coli (изображения слева). Для сравнения: составное изображение того же штамма, выращенного в жидкой культуре, и нанесенное на подушку из агарозы (правое изображение). Можно визуализировать разницу в ширине клеток в двух средах роста. (B) Кривые роста материнских клеток из каналов, показанные на (A) .

Таким образом, из всех изготовленных каналов только те, что находятся в диапазоне 0.7–1,0 мкм подходили для изучения роста стабильных одномерных бактериальных культур. Клетки в этих каналах были визуализированы в трех независимых измерениях, каждое из которых длилось не менее 6 часов (дополнительные видео 1, 2, рисунок 2B). Здесь мы подробно анализируем рост материнской клетки, которая является клеткой на тупиковой стороне канала. Все клетки в канале являются клонами этой клетки. Мы используем материнскую клетку для анализа, потому что это единственная клетка, которая строго растет в условиях устойчивого состояния. Другие клетки в канале движутся к входу в канал во время своего роста, и из-за этого движения мы ожидаем, что изменится как состав ростовой среды, так и механическое напряжение, которое клетки испытывают.Кроме того, чтобы гарантировать, что материнские клетки в канале заданного размера росли в сопоставимых условиях, мы требовали, чтобы каналы были полностью заполнены клетками (пустое пространство между клетками <1 мкм) на протяжении всего периода покадровой визуализации.

Далее мы сравниваем длину, ширину, объем и время удвоения материнских клеток в каналах разного размера при рождении с таковыми из клеток в жидких культурах. Мы обнаружили, что длина клетки (2,12 ± 0,05 мкм) не зависит от ширины канала в диапазоне 0,8–1,0 мкм (рис. 3А).В каналах шириной 0,7 мкм, где клетки, по-видимому, контактировали со стенками канала, длина клеток была значительно (разница 9%, p <0,02) меньше, чем в других каналах. Интересно, что во всех микрофлюидных каналах клетки были длиннее, чем в жидких культурах из пробирки (1,84 мкм; p = 0,19 для канала шириной 0,7 мкм и p <10 ^-16 для всех остальных каналов). В то же время коэффициенты вариации распределения длины клеток при рождении были сопоставимы со значениями в жидкой культуре (все они составляют около 15%) (дополнительный рисунок 3).Определенные здесь коэффициенты вариации согласуются с предыдущими измерениями, где значения 12-17% были зарегистрированы на основе агарозной подушки (Adiciptaningrum et al., 2015) и микрофлюидных измерений (Campos et al., 2014; Taheri-Araghi et al. , 2015).

Рисунок 3 . Размеры материнской клетки и время ее удвоения в тупиковых каналах разной ширины. (A – D) Длина, ширина, объем и время удвоения материнской клетки как функция ширины канала в каналах длиной 15 (красные кружки) и 20 мкм (черные квадраты).Все измерения проводились при 28 ° C. Точки данных представляют собой среднее значение трех независимых измерений. В каждом измерении было проанализировано более 300 случаев рождения клеток. Планки погрешностей из трех независимых измерений. Голубые горизонтальные линии представляют собой измерения клеток из пробирок с жидкой культурой. Ширина этих линий соответствует s.e.m. Все остальные сплошные линии соответствуют данным линейно. (E) Логарифм объема рождения, V _b , как функция, обратная времени удвоения, Td-1.Сплошная линия показывает соответствие данных универсальному закону роста, Vb = (12) Vi • 2C + DTd. В универсальном законе роста V _i — это объем клетки в момент инициации репликации, C — время, необходимое для репликации ДНК, и D — время, необходимое от конца репликации до деления клетки. Здесь V _i и C + D рассматриваются как подгоночные параметры со значениями наилучшего соответствия Vi = 0,79 ± 0,08 мкм3 и C + D = 103 ± 11 мин.Ошибки являются стандартной ошибкой.

В то время как длина клеток в микрофлюидных каналах была больше, их ширина была значительно меньше (Welch’s t -test p <10 ^-8 ) (Рисунок 3B). Кроме того, коэффициенты вариации распределения ширины клеток были меньше, чем в жидкой культуре (4,5%), и уменьшались по мере уменьшения ширины канала с 4 до 3% (дополнительный рисунок 3). В каналах шириной 0,7 мкм ширина ячейки была шире, чем диаметр недеформированного канала, что указывает на то, что стенки канала препятствуют увеличению ширины ячеек.В каналах шириной 0,8 мкм некоторые клетки все еще могут быть зажаты стенками канала. Однако в каналах шириной 0,9 и 1,0 мкм клетки были уже, чем каналы, и не были зажаты стенками канала. Независимо от сдавливания или отсутствия сдавливания со стенок канала, ширина клетки при рождении линейно увеличивалась с шириной канала (Pearson R = 0,999 в каналах длиной 15 мкм и 0,987 в каналах длиной 20 мкм). Итак, в более широких каналах уменьшение диаметра клеток не было связано с прямым механическим воздействием на клетки, но должно было отражать некоторую форму адаптации клеток к среде ограниченного канала.

Как и ожидалось из двух вышеуказанных измерений, средний объем материнских клеток также увеличивался с шириной канала (рис. 3C). Сравнение микрофлюидных и жидких культуральных клеток показало, что различия в их длине и ширине до некоторой степени компенсировали друг друга в объемах клеток. В частности, для каналов шириной 0,8 мкм объем клеток соответствовал объемам в жидкой культуре.

Время удвоения также зависело от ширины канала и увеличивалось по мере его сужения (Рисунок 3D).Эффект был выражен для клеток в каналах длиной 20 мкм ( R = -0,997, наклон = -65 мин / мкм), но был менее значительным в каналах 15 мкм ( R = -0,996, наклон = -15 мин / мкм). мкм). В последнем случае время удвоения оказалось почти неотличимым от клеток, выращенных в жидких культурах, несмотря на изменения формы клеток. Ожидается наблюдаемое увеличение времени удвоения ячейки с уменьшением ее размеров. Согласно универсальному закону роста, объем клеток при рождении экспоненциально зависит от скорости роста, которая здесь принимается как обратная времени удвоения (Schaechter et al., 1958; Уиллис и Хуанг, 2017). Такие корреляции действительно очевидны в наших данных (рис. 3E). Универсальный закон роста появился в результате исследований, в которых клетки росли неограниченно, а скорость роста определялась типом источника углерода, а не его количеством (Schaechter et al., 1958). В более поздних исследованиях скорость роста также изучалась в условиях, ограничивающих рост, и было обнаружено, что увеличение размера клеток и скорость роста коррелировали в большинстве, но не во всех условиях (Shehata and Marr, 1971). Соответственно, мы интерпретировали экспоненциальное уменьшение объема материнских клеток как функцию времени удвоения как результат условий ограничения питательных веществ на концах каналов, которые могут возникнуть в результате экранирования питательных веществ в канале.

Зависимость роста материнских клеток от длины канала

Для дальнейшего исследования этой гипотезы мы изучили, как размеры и время удвоения материнской клетки зависят от длины канала. Мы ожидали, что время удвоения должно увеличиваться, а размеры ячейки должны уменьшаться с увеличением длины канала. Для этих исследований мы использовали микрожидкостные чипы с фиксированной шириной канала 0,9 мкм, но варьировали длину канала от 20 до 50 мкм (19, 29, 39 и 49 мкм). Мы объединили результаты этих измерений с более ранними в каналах длиной 15 и 20 мкм.Хотя каналы длиной 15 и 20 мкм имели такую ​​же конструктивную ширину, что и более длинные каналы, фактическая ширина более длинных каналов оказалась немного меньше, чем 0,9 мкм, что, вероятно, объясняет различия в скорости роста двух наборов данных.

Мы обнаружили, что длина, ширина и объем материнских клеток уменьшаются в более длинных каналах (Fig. 4A – C). Уменьшение длины и объема клеток было более выраженным (17 и 33%), чем уменьшение ширины клеток (изменение на 7%). Это контрастирует с более ранними измерениями на Рисунке 3, где ширина ячейки показала большее изменение, в то время как длина оставалась приблизительно постоянной.Уменьшение длины и объема ячеек в хорошем приближении было пропорционально длине канала ( R = -0,992 для обоих случаев), в то время как уменьшение ширины ячейки показало более низкие корреляции ( R = -0,832). Время удвоения также линейно увеличивалось в зависимости от длины канала (рис. 4D). В каналах длиной 50 мкм время удвоения было на 44% больше, чем в каналах длиной 15 мкм. Увеличение времени удвоения и уменьшение объемов ячеек в хорошем приближении составили ( R = 0.999), связанный с универсальным законом роста (рис. 4E). Параметры подгонки, которые определяют объем клетки в момент инициации для каждой точки начала репликации ( V _i ), и сумма периодов C и D (Cooper and Helmstetter, 1968), совпадают с теми, которые были получены из измерений, когда ширина канала был изменен (см. Фигуры 3E, 4E). Согласованность этих двух наборов данных указывает на то, что ограничение роста, вероятно, имело одно и то же происхождение при измерениях, когда ширина и длина канала варьировались.

Рисунок 4 . Размеры и время удвоения материнских клеток в каналах разной длины. (A – D) Длина, ширина и объем материнской клетки при рождении, а также время удвоения как функция длины канала. Все каналы имеют ширину 0,9 мкм. Каждая точка данных представляет собой среднее значение трех независимых измерений. В каждом измерении было проанализировано более 300 случаев рождения клеток. Планки погрешностей из трех независимых измерений. Синие горизонтальные линии соответствуют измерениям этих количеств в клетках жидкой культуры.Сплошные линии соответствуют данным линейно. (E) Логарифм объема рождения, V _b , как функция обратного времени удвоения, Td-1, и он соответствует универсальному закону роста, Vb = (12) Vi • 2C + DTd .

Механические препятствия для роста клеток в одномерных культурах

В приведенных выше измерениях время удвоения линейно увеличивалось как функция длины канала. Мы предположили, что если длина канала увеличится еще больше, то время удвоения материнской клетки покажет нелинейное увеличение и, возможно, рост клеток полностью остановится, поскольку уровни питательных веществ истощатся в конце канала.Чтобы проверить, будет ли время удвоения материнских клеток в зависимости от длины канала отклоняться от линейного при большей длине канала, мы изготовили новую партию микрожидкостных чипов с длинами каналов 20, 50, 100, 150 и 200 мкм.

Неожиданно, во время начальной стадии пассивации стенок канала бычьим сывороточным альбумином (BSA), которая предшествовала загрузке клеток, мы наблюдали накопление этого белка на концах каналов в 100 мкм и более длинных каналах на фазово-контрастных изображениях. Эффект полностью отсутствовал в каналах 50 мкм и короче на том же чипе даже при длительном времени инкубации (> 12 ч).При использовании той же среды для выращивания M9 без BSA материал не накапливался на концах любого канала. Агрегация BSA была настолько сильной, что полностью исключила клетки из концов канала. Дальнейшее исследование показало, что этот эффект не был специфическим для BSA, потому что, если в каналах оставалась среда LB, не содержащая BSA, некоторое количество материала все еще накапливалось на концах каналов. Подобные эффекты наблюдались раньше и объяснялись диффузией воды в PDMS (Randall and Doyle, 2005).Эффект сильно зависит от длины канала, что будет обсуждаться более подробно позже. Хотя BSA не позволял клеткам занимать концы каналов размером 100 мкм и более, клетки также можно было культивировать без BSA. В этом случае наблюдалась некоторая агрегация ячеек возле входов в каналы. Таким образом, отсутствие BSA увеличивало прилипание клеток к стенкам канала, как и ожидалось. Однако скорость роста клеток в каналах длиной 20-50 мкм без пассивации BSA не отличалась от таковой с BSA (дополнительный рисунок 4).

Рост колоний в каналах длиной 100 мкм и более существенно отличался от роста колоний в более коротких каналах (≤50 мкм). Эти различия присутствовали независимо от присутствия или отсутствия BSA в питательной среде. Прикрепление клеток к стенкам канала в сочетании с их непрерывным ростом приводит к значительному повышению давления, о чем свидетельствует расширение канала на фазово-контрастных изображениях (рис. 5A – C). В деформированных областях канала клетки растут в несколько рядов или наклонены относительно направления канала.Основываясь на наших более ранних исследованиях (Yang et al., 2015), анализ напряжений в таких каналах показал, что для расширения каналов на их средней плоскости на несколько сотен нанометров необходимо давление в диапазоне 0,2 МПа. Подобные или даже большие давления должны были присутствовать в расширенных областях канала. Время от времени повышение давления приводило к внезапному высвобождению клеток из каналов, поскольку сила, возникающая в результате роста клеток, превышала некоторое критическое значение, необходимое для разрыва адгезионных контактов между клетками и стенками каналов (рис. 5А).Однако в некоторых каналах эти контакты, вероятно, были сильнее или распределены иначе, и в течение 12-часового периода наблюдения не происходило сброса давления.

Рисунок 5 . Рост клеток в каналах длиной 100 мкм. (A) Составные покадровые изображения клеток, растущих в канале длиной 100 мкм и шириной 0,8 мкм без пассивации BSA. Давление в канале нарастает до кадра на 594 мин. Сброс давления происходит между 594 и 600 мин, после чего рост и деление клеток возобновляются.Отдельные ячейки помечены номерами от 1 до 6. (B, C) Области, выделенные рамкой в ​​ (A) , увеличены. (D – F) Длина, ширина и объем ячеек как функция времени для первых шести ячеек в канале, как указано на (A) . Сплошные вертикальные линии показывают время, когда произошел сброс давления.

Повышение давления оказало явное влияние на рост и морфологию клеток (рис. 5C, дополнительные видео 4, 5). По мере увеличения давления скорость удлинения и деления клеток замедлялась (рис. 5D), и клетки начинали расширяться (рис. 5E).Для ячеек, которые росли под наклоном относительно осей каналов на начальных стадиях роста давления, уширение не было равномерным по длине ячейки из-за неравномерного толчка от других ячеек (дополнительные видео 6, 7). Области клеток, контактирующие с другими клетками, расширялись меньше, чем области, где клетки могли расширяться к стенкам канала без этих контактов. В результате клетки приобрели неправильную грушевидную морфологию, которая значительно отличалась от правильной формы стержня (рис. 5C).Некоторый рост массы, хотя и более медленный, чем в жидких культурах, все же происходил в этих условиях (рис. 5F). Рост массы в этих условиях может быть преимущественно связан с расширением клеток, а не с удлинением. После снятия давления форма клеток сразу же вернулась к обычной морфологии удлиненного стержня. Это резкое изменение сопровождалось уменьшением ширины ячейки (≈7%) и увеличением длины ячейки (≈10%). Интересно, что удлинение ячеек возобновилось через несколько минут после сброса давления (рис. 5D), хотя степень удлинения была почти нулевой в течение 9-часового периода сжатия.Наряду с возобновлением удлинения ячеек ширина ячеек после резкого уменьшения при ослаблении сжатия продолжала уменьшаться. За 1,5 ч она приблизилась к своему обычному значению (0,78 мкм). Замедление роста клеток также проявлялось при измерениях в каналах 100 мкм и более при использовании BSA (дополнительный рисунок 5, дополнительный видео 8). Замедление сопровождалось периодом более быстрого роста после каждого сброса давления. Однако в этом случае адгезия клеток к стенке канала была явно слабее; следовательно, происходило меньшее повышение давления.В этих условиях морфология клеток оставалась регулярной, и уширение не могло быть обнаружено. В целом, в каналах длиной 100 мкм и более механические препятствия были фактором, ограничивающим рост, а не истощением питательных веществ.

Обсуждение

Форма ячейки показывает адаптации к геометрии канала

Здесь мы изучили, как ограничение изменяет рост клеток E. coli в микрофлюидных каналах разной ширины и длины. В каналах длиной 15 и 20 мкм и шириной 0.9 и 1,0 мкм, скорость роста и объем клеток были сопоставимы и даже незначительно (5–10%) превышали значения измерений жидких культур. Хотя влияние ограничения на скорость роста в этих условиях было незначительным, морфология клеток была затронута. Клетки были значительно длиннее и уже, чем в жидких культурах. Какие факторы могли привести к изменению морфологии клеток? В наиболее узких каналах шириной 0,7 мкм ширина ячейки физически ограничивалась стенками канала.Такое же механическое ограничение могло также иметь ограниченный диаметр ячейки в каналах шириной 0,8 мкм. Однако в каналах шириной 0,9 и 1,0 мкм клетки не сдавливались стенками каналов, но все же сохраняли более высокое отношение длины к ширине по сравнению с клетками жидкой культуры (2,7 против 2,1 соответственно). Еще более высокие коэффициенты (> 3,4) могут быть выведены из предыдущих измерений, проведенных другой группой, использующей материнские устройства в аналогичных условиях роста (Taheri-Araghi et al., 2015). Мы предполагаем, что форма клеток в этих каналах более узкая и длинная из-за контактов со стенками каналов.Хотя адгезия клеток к стенкам каналов была слабой, особенно к стенкам пассивированных BSA, эти контакты могли влиять на механизмы синтеза пептидогликанов. В соответствии с этой идеей отношение длины к диаметру клеток было выше, когда стенки каналов не пассивировались BSA, по сравнению с тем, когда они пассивировались (дополнительный рисунок 4). Согласно общепринятому мнению, активность синтеза пептидогликана контролируется с помощью полимерных каркасов MreB и FtsZ, которые находятся на цитозольной стороне внутренней мембраны (Typas et al., 2012). Представленные здесь данные указывают на возможность того, что стрессы во внешней оболочке могут также напрямую модулировать активность синтеза пептидогликана, не передаваясь через каркасы MreB и FtsZ.

Ограничивает ли массовый транспорт рост клеток в каналах?

Наши измерения показали универсальную закономерную зависимость между объемом клеток при рождении и скоростью роста. Мы интерпретировали эту зависимость как следствие ограничивающих содержание питательных веществ в канале. Мы предположили, что адсорбция питательных веществ клетками, растущими между материнской клеткой и входом в канал, приводит к истощению питательных веществ в месте расположения материнской клетки.Этот эффект также называют защитой от питательных веществ (Lavrentovich et al., 2013). Принимая во внимание простую геометрию каналов и рост бактерий в отдельные ряды без промежутков, эффекты экранирования питательных веществ в этих условиях можно количественно проанализировать с помощью одномерных уравнений реакции-диффузии. Для каждого химического соединения, присутствующего в среде для выращивания, можно написать отдельные уравнения. Здесь мы предполагаем, что в среде есть только один компонент, который ограничивает рост. Обозначая его концентрацию c , коэффициент диффузии D , коэффициент поглощения на единицу площади поверхности ячейки k _abs , ширину канала W и высоту H и радиус ячейки на R _c уравнение реакции-диффузии в зависимости от расстояния x от входа в канал для этого компонента можно записать как:

Здесь мы предположили, что поглощение этого питательного компонента является процессом первого порядка, который далек от насыщения.Если бы поглощение было насыщенным (кинетически ограниченным), то соответствующее соединение не было бы фактором, ограничивающим рост. Решение этого уравнения при условии отсутствия адсорбции на конце канала:

Здесь L — длина канала, а c ₀ — концентрация этого соединения на входе в канал. λ определяет характерный масштаб длины, который называется длиной отсеивания питательных веществ (Lavrentovich et al., 2013). Длина экранирования зависит от площади поперечного сечения канала и больше для более широких каналов. Далее мы предполагаем, что скорость роста (обратная времени удвоения), которая контролируется этим соединением, соответствует кинетике типа Michelis-Menten (Shehata and Marr, 1971):

Здесь T _d — время удвоения клеток в позиции x от входа в канал, T _{d, min} — время удвоения в условиях, когда соединение не ограничивает рост и K определяет концентрацию, при превышении которой скорость поглощения питательных веществ начинает насыщаться.В разбавленных жидких культурах T _{d, жидкие} = T _{d, min} (1+ K / c ₀ ). Используя последнее выражение и решение уравнения реакция-диффузия для c (x ), получаем:

Наши данные относятся к материнским клеткам. Время удвоения материнской ячейки T _d тогда становится:

Здесь мы приняли положение материнской ячейки равным x ≈ L .Формула предсказывает, что время удвоения в коротких каналах L ≪ λ не зависит от длины канала и равно времени удвоения в жидких культурах. В каналах L ≈ λ он увеличивается как Td ~ L2, а в каналах L ≫ λ увеличение экспоненциально T _d ~ exp ( L / λ). Таким образом, в целом уравнение 5 предсказывает явно нелинейную зависимость между временем удвоения и длиной канала. В отличие от этого прогноза, данные на рисунке 4D в хорошем приближении линейны (дополнительный рисунок 6).Расхождение между моделью и данными проявляется также при сравнении зависимости времени удвоения от ширины канала. Модель предсказывает меньшее изменение времени удвоения в зависимости от ширины канала, в частности, для канала длиной 20 мкм (дополнительный рисунок 6). Возможно, эта модель слишком упрощенно трактует отношения между концентрацией ограничивающего рост соединения и скоростью роста. Например, некоторые отклонения от одного отношения типа Michelis-Menten для скорости роста наблюдались в условиях ограничения глюкозы (Shehata and Marr, 1971).Однако лежащая в основе взаимосвязь между временем удвоения и длиной канала все же должна быть явно нелинейной и как таковая не согласовываться с экспериментальными данными. Более того, в нашей питательной среде нет очевидных соединений, которые могут ограничивать рост. Концентрации всех компонентов среды при открытии канала находятся в миллимолярном диапазоне и как таковые превышают на несколько порядков концентрации, ограничивающие рост. Например, концентрация глюкозы в отверстии канала составляет 22 мМ. Это примерно на 10 ⁴ выше, чем его ограничивающая рост концентрация, составляющая около 1 мкМ (Shehata and Marr, 1971).Таким образом, поглощение глюкозы клетками полностью кинетически ограничено вблизи открытия канала. Можно решить уравнение реакции-диффузии, аналогичное уравнению 1, также в кинетически ограниченном режиме. Решение показывает, что концентрация таких питательных веществ уменьшается квадратично от входа в канал как:

Здесь I _max — кинетически ограниченная скорость поглощения питательных веществ на клетку в секунду, а L _c — средняя длина клетки.Для глюкозы I _max = 2 · 10 ⁵ молекул на клетку в секунду (Натараджан и Шринк, 1999) и D = 700 мкм ² / с (Longsworth, 1953) дает изменение концентрации 2,7 мМ (~ 10%) в конце канала длиной 50 мкм, полностью заполненного бактериями. Полученная концентрация глюкозы в 19 мМ в конце канала все еще соответствует высокому уровню насыщения. Те же аргументы применимы и к казаминокислотам, которые также присутствуют в мМ концентрациях.Более того, их истощение, за исключением лейцина, который необходим для штамма, не повлияет существенно на время удвоения. Если бы произошло истощение лейцина, то это привело бы к увеличению времени удвоения, которое приблизительно определяется уравнением 5. Такая зависимость, однако, не согласовывалась бы с экспериментально наблюдаемой линейной зависимостью на фиг. 4D, как уже утверждалось.

Предыдущий анализ предполагал, что массовый перенос питательных веществ в каналы происходит исключительно за счет диффузии.Однако накопление BSA на концах каналов длиной 100 мкм и более демонстрирует значительный приток воды в эти тупиковые каналы из-за испарения / диффузии воды в PDMS (Randall and Doyle, 2005). Этот приток был значительным даже после того, как каналы были заполнены водой на 12-часовой период. Установленная скорость поглощения воды PDMS была оценена как Дж = 7 · 10 ⁻⁶ кг / (м ² с) (Randall and Doyle, 2005). Эта частота обновления объясняет, почему BSA накапливается в каналах длиной 100 мкм, но не в каналах длиной 50 мкм.Профиль стационарной концентрации BSA в пустых каналах можно найти из уравнения, которое уравновешивает его диффузионный и конвективный потоки:

Здесь ρ — плотность воды. Решение этого уравнения:

Здесь σ — характерный масштаб длины накопления, который зависит от параметров поперечного сечения канала, но не от его длины.Для BSA, коэффициент диффузии которого составляет 70 мкм ² / с, σ = 57 мкм м можно оценить для каналов шириной 0,9 мкм. Увеличение концентрации БСА в конце канала в 1,5 раза в 50 мкм, в 5 раз в 100 мкм и в 500 раз в каналах длиной 200 мкм. Увеличение в 500 раз соответствует практически полному осаждению БСА, наблюдаемому в наших экспериментах.

Хотя проникновение воды в PDMS оказывает сильное влияние на распределение BSA в канале, уравнение (8) предсказывает, что оно не оказывает значительного влияния на распределение питательных веществ, сигнальных молекул и продуктов метаболизма в канале.Причина в том, что коэффициенты диффузии этих небольших молекул примерно на порядок больше (например, D = 700 мкм ² / с для глюкозы), чем для БСА. Даже для пустого канала длиной 200 мкм можно было бы ожидать, что концентрация этих молекул будет в два раза меньше, чем на входе в канал. Это увеличение, вероятно, не оказывает значительного влияния на рост клеток.

До сих пор мы не рассматривали адсорбцию малых молекул стенками канала. При нынешнем лечении адсорбция будет полностью аналогична адсорбции этих молекул клетками.Следовательно, адсорбцию стенками канала можно учесть, увеличив k _abs в уравнении (2), в то время как функциональная форма уравнений остается прежней. Таким образом, учет адсорбции на стенке не приведет к лучшему согласованию между экспериментом и моделью, поскольку включение адсорбции не изменит функциональную зависимость времени удвоения от длины канала.

В целом наш анализ показывает, что связанные с переносом массы ограничения роста клеток в каналах ≤ 100 мкм несущественны в наших экспериментальных условиях, несмотря на наши первоначальные ожидания.Однако, если некоторые из основных компонентов в среде присутствуют на уровнях ниже насыщения, тогда время удвоения ячеек на концах канала должно сильно пострадать. Поток воды в каналы из-за проницаемости PDMS не должен влиять на эти выводы из-за быстрой диффузии питательных веществ и молекул отходов.

Механические ограничения роста клеток

Наши эксперименты показывают, что вместо ограничений по питательным веществам механические препятствия устанавливают более строгие ограничения для роста бактерий в каналах.В каналах длиной 100 мкм и более силы трения вызывали прекращение удлинения клеток. В более коротких каналах трение также могло быть основным фактором, ограничивающим рост. В соответствии с этим предположением трение приводит к росту противодействующей силы на материнскую ячейку, F _f , которая увеличивается пропорционально длине канала F _f ~ L . Измерения роста E. coli в гидрогелях агарозы показали, что силы, противодействующие росту клеток, уменьшают скорость удлинения приблизительно линейно по мере увеличения величины силы (Tuson et al., 2012). Для малых сил это будет означать, что увеличение времени удвоения от объемного значения пропорционально противодействующей силе и, следовательно, длине канала Δ T _d = T _d — T _{d, жидкость} ~ F _f ~ L в соответствии с экспериментальными данными (рис. 4D). Повышенное трение также может объяснить, почему в более узких каналах время удвоения увеличивается (рис. 3D).

Хотя прилипание отдельных клеток к стенкам каналов было слабым в каналах длиной более 50 мкм, совокупный эффект адгезии стал достаточно сильным, чтобы предотвратить удлинение клеток на тупиковой стороне каналов. Интересно, что в этой ситуации все еще происходил некоторый рост остаточной массы, что приводило к расширению клеток. Предположительно, благодаря этому клетки остаточного роста в некоторых каналах смогли преодолеть силы статического трения и сбросить давление, которое препятствовало их росту.При сбросе давления клетки вели себя подобно сжатому упругому стержню: их длина увеличивалась (25%), а диаметр уменьшался (7%). Увеличение длины, кроме того, указывает на то, что клетки действительно синтезировали новую клеточную стенку во время фазы сжатия. Взятый ранее оцененный модуль Юнга в диапазоне 50–150 МПа для клетки E. coli для толщины оболочки 4 нм (Tuson et al., 2012), 25% сжатия соответствует силе, действующей на ячейку шириной 0,8 мкм. 0,1–0,4 микроньютона (мкН).Здесь мы предположили, что тургорное давление во время и несколько минут после сжатия было одинаковым, а сжатие клеточной стенки было упругим. Тогда сила 0,1–0,4 мкН приблизительно соответствует силе остановки для синтеза пептидогликана в E. coli . Для сравнения, тормозящая сила у делящихся дрожжей была оценена в 11 мкН (Minc et al., 2009).

Поразительно, но клетки были способны восстанавливать свою скорость роста очень быстро (менее 6 минут) после более чем 9 часов очень ограниченного роста во время сжатия.Здесь оценка 6 минут соответствует частоте кадров измерений, но фактическая фаза задержки могла быть короче. Очень короткое время задержки, если таковое имеется, в отличие от времени, необходимого для восстановления роста клеток со стационарной фазой при попадании в свежую среду. В наших измерениях это время обычно находилось в диапазоне 0,5–2,0 ч в зависимости от продолжительности времени, в течение которого ячейки находились в стационарном состоянии. Период около 30 минут, по-видимому, необходим для восстановления транскрипционной активности и сборки функциональных комплексов синтеза пептидогликана.Поскольку рост клеток в каналах возобновляется намного быстрее, клетки должны поддерживать активный пептидогликановый аппарат на протяжении всего периода сжатия. Сжатые клетки в каналах явно отличались от клеток со стационарной фазой, поскольку они имели доступ к питательным веществам и были метаболически более активными. Поддержание ферментативного аппарата, даже когда не происходит удлинения, указывает на то, что механический стресс, препятствующий росту клеток, сам по себе не способен подавлять транскрипционный аппарат синтеза пептидогликана, как это делает переход в стационарную фазу.

Влияние на рост бактерий в микрофлюидных устройствах и в естественных микросредах

Наша работа выявляет некоторые различия в росте E. coli в замкнутых, относительно неограниченных, условиях на платформе материнской машины. Мы обнаружили, что для платформы материнской машины каналы должны иметь довольно узкий диапазон размеров, чтобы не проявлять ограничивающих рост эффектов: для E. coli , растущей в среде M9 с глюкозой и казаминовыми кислотами длиной всего 15 и 20 мкм и 0.В каналах шириной 9 и 1,0 мкм эти эффекты не проявлялись. Однако даже в этих каналах морфология клеток отличалась от таковой в жидких культурах. Наблюдаемое нами различное соотношение сторон, вероятно, не является значимым фактором для большинства экспериментов, но для тех, кто имеет дело с контролем размера клетки и синтезом клеточной стенки, эти эффекты необходимо учитывать. Чтобы улучшить конструкцию материнской машины, можно использовать еще более короткие (<15 мкм) каналы. Однако это имеет недостаток, заключающийся в потере клеток из канала в долгосрочных экспериментах.С другой стороны, наши данные и анализ показывают, что ограничение роста из-за диффузии питательных веществ и отходов минимально даже в длинных каналах (> 100 мкм). Конструкции, которые увеличивают массоперенос к каналам, например, сделанное недавно путем отклонения некоторых потоков жидкости через каналы (Baltekin et al., 2017; Jennings, 2017) или использования неглубоких боковых каналов, которые окружают клетки (Norman et al., 2013; Cabeen et al., 2017) вряд ли уменьшит ограничения роста в этих каналах.

Механические ограничения, возникающие в результате клеточной адгезии, могут быть основным ограничивающим фактором для роста бактерий не только в микрофлюидных каналах, но и в естественной среде, такой как почва, где присутствуют маленькие поры и каналы с размерами, сопоставимыми с размерами бактерий (Ranjard and Richaume, 2001). .Эти ограничения могут также ограничивать рост бактерий в свободных колониях, таких как колонии на чашках с агаром. Хотя ограничение питательных веществ считается основным фактором, ограничивающим рост бактериальных клеток внутри колонии (Jeanson et al., 2015), наши результаты указывают на возможность того, что механические ограничения играют не менее важную роль только в ограничении роста. к внешним слоям колонии.

Авторские взносы

DY и JM внесли свой вклад в концепцию и дизайн исследования.DY и SR изготовили устройства, использованные в исследовании. DY, AJ, EB выполнили измерения. DY проанализировал данные. Рукопись написали DY и JM. Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа частично поддержана исследовательским грантом NSF MCB-1252890.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы благодарят Сис Деккер и Фабай Ву за щедрый дар штамма, а также Ариэля Амира, Максима Лаврентовича, Яану Мянник, Брайанта Уокера, Конрада Волдринга и Арье Зарицки за обсуждения и критическое прочтение рукописи. Авторы выражают признательность за техническую помощь и материальную поддержку Центру экологической биотехнологии Университета Теннесси. Часть этого исследования была проведена в Центре науки о нанофазных материалах, который спонсируется Национальной лабораторией Ок-Ридж Отделом научных пользовательских объектов Управления фундаментальных энергетических наук Университета.С. Министерство энергетики.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.00871/full#supplementary-material

Список литературы

Adiciptaningrum, A., Osella, M., Moolman, M.C., Lagomarsino, M.C., and Tans, S.J. (2015). Стохастичность и гомеостаз в цикле репликации и деления E. coli . Sci. Реп. 5: 18261. DOI: 10.1038 / srep18261

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Амир, А., Бабайпур Ф., Макинтош Д. Б., Нельсон Д. Р. и Джун С. (2014). Изгибающие силы пластически деформируют стенки растущих бактериальных клеток. Proc. Natl. Акад. Sci. США 111, 5778–5783. DOI: 10.1073 / pnas.1317497111

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бейли М. В., Биссичиа П., Уоррен Б. Т., Шерратт Д. Дж. И Мянник Дж. (2014). Доказательства механизмов локализации дивисомов, независимых от системы Min и SlmA, у Escherichia coli . PLoS Genet. 10: e1004504. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1004504

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Балтекин, О., Бушарин, А., Тано, Э., Андерссон, Д. И., и Эльф, Дж. (2017). Тест на чувствительность к антибиотикам менее чем за 30 минут с использованием прямой визуализации отдельных клеток. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 9170–9175. DOI: 10.1073 / pnas.1708558114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кабин, М.Т., Рассел, Дж. Р., Полссон, Дж., И Лосик, Р. (2017). Использование микрожидкостной платформы для выявления основных характеристик реакции на энергетический и экологический стресс в индивидуальных клетках Bacillus subtilis . PLoS Genet. 13: e1006901. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1006901

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кампос М., Суровцев И. В., Като С., Пайнтдахи А., Бельтран Б., Эбмайер С. Э. и др. (2014). Расширение постоянного размера способствует гомеостазу размера бактериальных клеток. Cell 159, 1433–1446. DOI: 10.1016 / j.cell.2014.11.022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Даценко К. А., Ваннер Б. Л. (2000). Одностадийная инактивация хромосомных генов в Escherichia coli K-12 с использованием продуктов ПЦР. Proc. Natl. Акад. Sci. США 97, 6640–6645. DOI: 10.1073 / pnas.120163297

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джинсон, С., Флури, Дж., Ганейр, В., Лортал, С., Тьерри, А. (2015). Бактериальные колонии в твердых средах и пищевых продуктах: обзор их роста и взаимодействия с микросредой. Перед. Microbiol. 6: 1284. DOI: 10.3389 / fmicb.2015.01284

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дженнингс, А. Д. (2017). Разработка микрофлюидных платформ для изучения клеточной организации Escherichia coli . Магистерская диссертация, Университет Теннесси.

Кайзер, М., Jug, F., Julou, T., Deshpande, S., Pfohl, T., Silander, O.K., et al. (2018). Мониторинг регуляции одноклеточных генов в динамически контролируемых условиях с помощью встроенной микрофлюидики и программного обеспечения. Нат. Commun. 9: 212. DOI: 10.1038 / s41467-017-02505-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Long, Z., Nugent, E., Javer, A., Cicuta, P., Sclavi, B., Lagomarsino, M. C., et al. (2013). Микрожидкостной хемостат для измерения динамики отдельных клеток бактерий. Лабораторный чип 13, 947–954. DOI: 10.1039 / c2lc41196b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лонгсворт, Л. Г. (1953). Измерения диффузии при 25 градусах водных растворов аминокислот, пептидов и сахаров. J. Am. Chem. Soc. 75, 5705–5709. DOI: 10.1021 / ja01118a065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мянник, Дж., Бейли, М. В., О’Нил, Дж. К., и Мянник, Дж. (2017). Кинетика крупномасштабного движения хромосом при асимметричном делении клеток у Escherichia coli . PLoS Genet. 13: e1006638. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1006638

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мянник, Дж., Дриссен, Р., Галайда, П., Кеймер, Дж. Э. и Деккер, К. (2009). Бактериальный рост и подвижность в субмикронных сужениях. Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 14861–14866. DOI: 10.1073 / pnas.0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мянник, Дж., Ву, Ф., Хол, Ф. Дж. Х., Bissichia, P., Sherratt, D. J., Keymer, J. E., et al. (2012). Устойчивость и точность клеточного деления Escherichia coli при различных формах клеток. Proc. Natl. Акад. Sci. США 109, 6957–6962. DOI: 10.1073 / pnas.1120854109

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моффитт, Дж. Р., Ли, Дж. Б. и Клюзел, П. (2012). Одноклеточный хемостат: микрожидкостное устройство на основе агарозы для высокопроизводительных одноклеточных исследований бактерий и бактериальных сообществ. Лабораторный чип 12, 1487–1494. DOI: 10.1039 / c2lc00009a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рэндалл, Г. К., и Дойл, П. С. (2005). Управляемый проницаемостью поток в микрожидкостных устройствах на основе поли (диметилсилоксана). Proc. Natl. Акад. Sci. США 102, 10813–10818. DOI: 10.1073 / pnas.0503287102

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sachs, C.C., Grünberger, A., Helfrich, S., Probst, C., Wiechert, W., Kohlheyer, D., et al. (2016). Профилирование отдельных ячеек на основе изображений: высокопроизводительная обработка экспериментов с материнской машиной. PLoS ONE 11: e0163453. DOI: 10.1371 / journal.pone.0163453

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шехтер М., Маалоэ О. и Кьельдгаард Н. О. (1958). Зависимость размера клеток и химического состава от среды и температуры при сбалансированном росте Salmonella Typhimurium . J. Gen. Microbiol. 19, 592–606. DOI: 10.1099 / 00221287-19-3-592

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шехата, Т., и Марр, А.Г. (1971). Влияние концентрации питательных веществ на рост Escherichia coli . J. Bacteriol. 107, 210.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Taheri-Araghi, S., Bradde, S., Sauls, J. T., Hill, N. S., Levin, P. A., Paulsson, J., et al. (2015). Контроль размера клеток и гомеостаз у бактерий. Curr. Биол. 25, 385–391.DOI: 10.1016 / j.cub.2014.12.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тусон, Х. Х., Ауэр, Г. К., Реннер, Л. Д., Хасебе, М., Тропини, К., Салик, М. и др. (2012). Измерение жесткости бактериальных клеток по скорости роста в гидрогелях с регулируемой эластичностью. Мол. Microbiol. 84, 874–891. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.2012.08063.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Типас, А., Банцаф, М., Гросс, К.А., Фоллмер В. (2012). От регуляции синтеза пептидогликана до роста и морфологии бактерий. Нат. Rev. Microbiol. 10, 123–136. DOI: 10.1038 / nrmicro2677

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ульман, Г., Валден, М., Марклунд, Э. Г., Махмутович, А., Разинков, И., и Эльф, Дж. (2013). Высокопроизводительный анализ экспрессии генов на уровне отдельных белков с использованием микрофлюидного турбидостата и автоматического отслеживания клеток. Philos.Пер. R. Soc. B Biol. Sci. 368: 20120025. DOI: 10.1098 / rstb.2012.0025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verbeek, P. W., and Vanvliet, L. J. (1994). Об ошибке локализации криволинейных краев на двухмерных и трехмерных изображениях с низкочастотной фильтрацией. IEEE Trans. Pattern Anal. Мах. Intell. 16, 726–733. DOI: 10.1109 / 34.297954

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, П., Роберт, Л., Пеллетье, Дж., Данг, В. Л., Таддеи, Ф., Райт, А. и др. (2010). Устойчивый рост Escherichia coli . Curr. Биол. 20, 1099–1103. DOI: 10.1016 / j.cub.2010.04.045

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ву Ф., ван Рейн Э., ван Ши Б. Г. К., Кеймер Дж. Э. и Деккер К. (2015). Многоцветная визуализация бактериальных нуклеоидов и белков деления с помощью флуоресцентных белков синего, оранжевого и ближнего инфракрасного диапазона. Перед. Microbiol. 6: 607. DOI: 10.3389 / fmicb.2015.00607

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг Д., Грир К. М., Джонс Б. П., Дженнингс А. Д., Реттерер С. Т. и Мянник Дж. (2015). Характеристика малых микрофлюидных клапанов для изучения механических свойств бактерий. J. Vacuum Sci. Technol. В 33: 06F202. DOI: 10.1116 / 1.4929883

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Определение машины от Merriam-Webster

1а : устройство с механическим, электрическим или электронным управлением для выполнения задачи. машина для чистки ковров

c : монетоприемник сигаретный автомат

(2) : инструмент (например, рычаг), предназначенный для передачи или изменения приложения силы, силы или движения.

2а : тот, который напоминает машину (методичен, неутомим или постоянно продуктивен). одаренный публицист и цитатник — Джон Ланкастер

б (1) : совокупность лиц, действующих вместе для достижения общей цели, вместе с агентствами, которые они используют. создание мощной военной машины

(2) : высокоорганизованная политическая группа под руководством босса или небольшой клики. политик, бросивший вызов местной партийной машине

c : живой организм или одна из его функциональных систем.

3 : литературный прием или приспособление для драматического эффекта.

4а архаичный : Сконструированная вещь, материальная или нематериальная.

б архаичный : военный двигатель

переходный глагол

: для обработки на машине или как если бы она была особенно : для уменьшения или чистовой обработки с помощью точения, формовки, строгания или фрезерования с помощью станков

6 простых механизмов: облегчение работы

На протяжении всей истории люди разработали несколько устройств, облегчающих работу.Наиболее известные из них известны как «шесть простых механизмов»: колесо и ось, рычаг, наклонная плоскость, шкив, винт и клин, хотя последние три на самом деле являются просто продолжениями или комбинациями первых. три.

Поскольку работа определяется как сила, действующая на объект в направлении движения, машина облегчает выполнение работы, выполняя одну или несколько из следующих функций, согласно лаборатории Джефферсона:

• передача силы из одного места в другое. другой,
• изменяет направление силы,
• увеличивает величину силы или
• увеличивает расстояние или скорость силы.

Простые машины — это устройства без движущихся частей или с очень небольшим количеством движущихся частей, которые облегчают работу. По данным Университета Колорадо в Боулдере, многие из современных сложных инструментов представляют собой просто комбинации или более сложные формы шести простых машин. Например, мы можем прикрепить длинную ручку к древку, чтобы сделать брашпиль, или использовать блок и снасть, чтобы подтянуть груз вверх по пандусу. Хотя эти машины могут показаться простыми, они продолжают предоставлять нам средства для выполнения многих вещей, которые мы никогда бы не смогли сделать без них.

Колесо и ось

Колесо считается одним из самых значительных изобретений в мировой истории. «До изобретения колеса в 3500 г. до н.э. люди были сильно ограничены в том, сколько вещей мы могли перевозить по суше и на какое расстояние», — написала Натали Вулховер в статье «10 лучших изобретений, изменивших мир». «Колесные тележки облегчили сельское хозяйство и торговлю, позволив перевозить товары на рынки и с рынков, а также облегчить бремя людей, путешествующих на большие расстояния.«

Колесо значительно снижает трение, возникающее при перемещении объекта по поверхности.» Если вы поместите картотечный шкаф на небольшую тележку с колесами, вы можете значительно уменьшить силу, необходимую для перемещения шкафа с постоянной скоростью. , «по данным Университета Теннесси.

В его книге» Древняя наука: предыстория-н.э. 500 »(Гарет Стивенс, 2010 г.) Чарли Сэмюэлс пишет:« В некоторых частях мира тяжелые предметы, такие как камни и лодки, перемещались с помощью бревенчатых катков.По мере того, как объект двигался вперед, ролики снимались сзади и заменялись спереди ». Это был первый шаг в развитии колеса.

Однако большим нововведением была установка колеса на ось. Колесо могло быть прикреплен к оси, поддерживаемой подшипником, или его можно было заставить свободно вращаться вокруг оси. Это привело к развитию повозок, повозок и колесниц. По словам Самуэльса, археологи использовали развитие колеса, которое вращается на оси. ось как показатель относительно развитой цивилизации.Самые ранние свидетельства существования колес на осях относятся к 3200 г. до н. Э. Шумеры. Китайцы самостоятельно изобрели колесо в 2800 году до нашей эры. [По теме: Почему так долго изобреталось колесо]

Множители силы

Согласно Science Quest от Wiley, помимо уменьшения трения, колесо и ось могут также служить в качестве множителя силы. Если колесо прикреплено к оси и для поворота колеса используется сила, вращающая сила или крутящий момент на оси намного больше, чем сила, приложенная к ободу колеса.В качестве альтернативы, к оси можно прикрепить длинную ручку для достижения аналогичного эффекта.

Все остальные пять машин помогают людям увеличивать и / или перенаправлять силу, приложенную к объекту. В своей книге «Перемещение больших вещей» (Пора пора, 2009) Джанет Л. Колоднер и ее соавторы пишут: «Машины обеспечивают механическое преимущество, помогающее перемещать объекты. Механическое преимущество — это компромисс между силой и расстоянием. » В следующем обсуждении простых машин, которые увеличивают силу, прилагаемую к их входу, мы пренебрегаем силой трения, потому что в большинстве этих случаев сила трения очень мала по сравнению с задействованными входными и выходными силами.

Когда сила действует на расстоянии, она производит работу. Математически это выражается как W = F × D. Например, чтобы поднять объект, мы должны выполнить работу, чтобы преодолеть силу тяжести и переместить объект вверх. Чтобы поднять объект, который вдвое тяжелее, требуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также требуется вдвое больше работы, чтобы поднять один и тот же объект вдвое дальше. Как показывает математика, главное преимущество машин состоит в том, что они позволяют нам выполнять такой же объем работы, прикладывая меньшее количество силы на большее расстояние.

Рычаг

«Дайте мне рычаг и место, чтобы встать, и я переверну мир». Это хвастливое заявление приписывают греческому философу, математику и изобретателю III века Архимеду. Хотя это может быть немного преувеличением, это действительно выражает силу рычагов, которые, по крайней мере, образно, движут миром.

Гений Архимеда заключался в том, чтобы понять, что для того, чтобы выполнить ту же работу, можно найти компромисс между силой и расстоянием, используя рычаг.Его Закон рычага гласит: «Величины находятся в равновесии на расстояниях, обратно пропорциональных их весу», согласно «Архимеду в 21 веке», виртуальной книге Криса Рорреса из Нью-Йоркского университета.

Рычаг состоит из длинной балки и оси шарнира. Механическое преимущество рычага зависит от соотношения длин балки по обе стороны от точки опоры.

Например, мы хотим поднять 100 фунтов. (45 кг) вес 2 фута (61 см) от земли.Мы можем потянуть 100 фунтов. силы на вес в направлении вверх на расстояние 2 фута, и мы проделали 200 фунт-футов (271 Ньютон-метр) работы. Однако, если бы мы использовали рычаг длиной 30 футов (9 м) с одним концом под грузом и точкой опоры длиной 1 фут (30,5 см), расположенной под балкой на расстоянии 10 футов (3 м) от груза, у нас было бы только надавить на другой конец с 50 фунтами. (23 кг) силы для подъема груза. Однако нам придется нажать на конец рычага на 4 фута (1,2 м), чтобы поднять груз на 2 фута.Мы пошли на компромисс, в котором мы удвоили расстояние, на которое нам нужно было переместить рычаг, но мы уменьшили необходимое усилие вдвое, чтобы проделать тот же объем работы.

Наклонная плоскость

Наклонная плоскость — это просто плоская поверхность, поднятая под углом, как пандус. По словам Боба Уильямса, профессора кафедры машиностроения Инженерно-технологического колледжа Русса Университета Огайо, наклонная плоскость — это способ поднять груз, который будет слишком тяжелым, чтобы поднять его прямо вверх.Угол (крутизна наклонной плоскости) определяет, какое усилие необходимо для подъема груза. Чем круче пандус, тем больше усилий требуется. Это означает, что если мы поднимем наши 100 фунтов. вес 2 фута, скатывая его по 4-футовой рампе, мы уменьшаем необходимое усилие вдвое и вдвое увеличиваем расстояние, на которое он должен перемещаться. Если бы мы использовали рампу высотой 8 футов (2,4 м), мы могли бы уменьшить необходимую силу до 25 фунтов. (11,3 кг).

Шкив

Если мы хотим поднять те же 100 фунтов. груз с веревкой, мы могли прикрепить шкив к балке над грузом.Это позволит нам тянуть вниз, а не вверх по веревке, но для этого все равно требуется 100 фунтов. силы. Однако, если бы мы использовали два шкива — один прикрепленный к верхней балке, а другой — к грузу, — и мы должны были бы прикрепить один конец веревки к балке, пропустить его через шкив на гири, а затем через шкив на балке, нам нужно будет только натянуть веревку с 50 фунтами. силы, чтобы поднять вес, хотя нам пришлось бы тянуть веревку на 4 фута, чтобы поднять вес на 2 фута.Опять же, мы обменяли увеличенное расстояние на уменьшение силы.

Если мы хотим использовать еще меньшую силу на еще большем расстоянии, мы можем использовать блок и захват. Согласно материалам курса Университета Южной Каролины, «блок и снасть — это комбинация шкивов, которая снижает силу, необходимую для подъема чего-либо. Компромисс заключается в том, что для блока и захвата требуется более длинная веревка. переместить что-нибудь на такое же расстояние «.

Какими бы простыми ни были шкивы, они все еще находят применение в самых современных новых машинах.Например, Hangprinter, 3D-принтер, который может создавать объекты размером с мебель, использует систему проводов и управляемых компьютером шкивов, прикрепленных к стенам, полу и потолку.

Винт

«Винт — это, по сути, длинная наклонная плоскость, обернутая вокруг вала, поэтому к его механическому преимуществу можно подойти так же, как и к наклону», — говорится на сайте HyperPhysics, созданном Государственным университетом Джорджии. Многие устройства используют винты для приложения силы, намного превышающей силу, используемую для поворота винта.К этим устройствам относятся настольные тиски и гайки на автомобильных колесах. Они получают механическое преимущество не только за счет самого винта, но также, во многих случаях, за счет использования длинной ручки, используемой для поворота винта.

Клин

По данным Института горного дела и технологий Нью-Мексико, «клинья перемещают наклонные плоскости, которые двигаются под нагрузкой для подъема или в груз для разделения или разделения». Более длинный и тонкий клин дает больше механических преимуществ, чем более короткий и широкий клин, но клин делает кое-что еще: основная функция клина — изменять направление входящей силы.Например, если мы хотим расколоть бревно, мы можем с большой силой вогнать клин в конец бревна с помощью кувалды, и клин перенаправит эту силу наружу, в результате чего древесина расколется. Другой пример — дверной упор, в котором сила, используемая для толкания его под край двери, передается вниз, в результате чего возникает сила трения, которая сопротивляется скольжению по полу.

Дополнительная информация от Charles Q. Choi, участника Live Science

Дополнительные ресурсы

• John H.Линхард, почетный профессор машиностроения и истории Хьюстонского университета, «еще раз взглянет на изобретение колеса».
• Центр науки и промышленности в Колумбусе, штат Огайо, предлагает интерактивное объяснение простых машин.
• HyperPhysics, веб-сайт, созданный Государственным университетом Джорджии, проиллюстрировал объяснения шести простых машин.

Найдите забавные занятия с участием простых машин в Музее науки и промышленности в Чикаго.

Глава 9. Настройка устройства гостевой виртуальной машины Red Hat Enterprise Linux 6

Red Hat Enterprise Linux 6 поддерживает три класса устройств для гостевых виртуальных машин:

Назначение устройств поддерживается на устройствах PCIe, включая некоторые графические устройства. Функции графического процессора видеокарт Nvidia K-series Quadro, GRID и Tesla теперь поддерживаются при назначении устройств в Red Hat Enterprise Linux 6. Параллельные устройства PCI могут поддерживаться как назначенные устройства, но они имеют серьезные ограничения из-за конфликтов безопасности и конфигурации системы.

Red Hat Enterprise Linux 6 поддерживает горячее подключение PCI устройств, предоставляемых виртуальной машине как однофункциональные слоты. Для этого можно настроить однофункциональные хост-устройства и отдельные функции многофункциональных хост-устройств. Конфигурации, предоставляющие устройства как многофункциональные слоты PCI для виртуальной машины, рекомендуются только для приложений без горячей замены.

Назначение устройств PCI доступно только на аппаратных платформах, поддерживающих Intel VT-d или AMD IOMMU.Эти спецификации Intel VT-d или AMD IOMMU должны быть включены в BIOS для назначения устройств PCI для работы.

Порядок действий 9.1. Подготовка системы Intel к назначению устройств PCI

1. Включение спецификаций Intel VT-d

   Спецификации Intel VT-d обеспечивают аппаратную поддержку для прямого назначения физического устройства виртуальной машине. Эти спецификации необходимы для использования назначения устройств PCI с Red Hat Enterprise Linux.

   Спецификации Intel VT-d должны быть включены в BIOS. Некоторые производители систем по умолчанию отключают эти характеристики. Термины, используемые для обозначения этих спецификаций, могут различаться у разных производителей; см. соответствующие термины в документации производителя вашей системы.

2. Активировать Intel VT-d в ядре

   Активируйте Intel VT-d в ядре, добавив параметр intel_iommu = on в конец строки GRUB_CMDLINX_LINUX в ​​кавычках в файле / etc / sysconfig / grub .

   Пример ниже представляет собой модифицированный файл grub с активированным Intel VT-d.

    GRUB_CMDLINE_LINUX = "rd.lvm.lv = vg_VolGroup00 / LogVol01
   vconsole.font = latarcyrheb-sun16 rd.lvm.lv = vg_VolGroup_1 / корень
   vconsole.keymap = us $ ([-x / usr / sbin / rhcrashkernel-param] && / usr / sbin /
   rhcrashkernel-param || :) rhgb quiet  intel_iommu = on  "

3. Восстановить конфигурационный файл

   Восстановите /etc/grub2.cfg, запустив:

    grub2-mkconfig -o / etc / grub2.cfg 

   Обратите внимание, что если вы используете хост на основе UEFI, целевой файл должен быть /etc/grub2-efi.cfg .

4. Готово к использованию

   Перезагрузите систему, чтобы изменения вступили в силу. Теперь ваша система может назначать устройства PCI.

Процедура 9.2. Подготовка системы AMD для назначения устройств PCI

1. Включение спецификаций AMD IOMMU

   Спецификации AMD IOMMU необходимы для использования назначения устройств PCI в Red Hat Enterprise Linux.Эти характеристики должны быть включены в BIOS. Некоторые производители систем по умолчанию отключают эти характеристики.

2. Включить поддержку ядра IOMMU

   Добавьте amd_iommu = on в конец строки GRUB_CMDLINX_LINUX в ​​кавычках в / etc / sysconfig / grub , чтобы спецификации AMD IOMMU были включены при загрузке.

3. Восстановить файл конфигурации

   Восстановите / etc / grub2.cfg, запустив:

    grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg 

   Обратите внимание, что если вы используете хост на основе UEFI, целевой файл должен быть /etc/grub2-efi.cfg .

4. Готово к использованию

   Перезагрузите систему, чтобы изменения вступили в силу. Теперь ваша система может назначать устройства PCI.

9.1.1. Назначение устройства PCI с помощью virsh

Эти шаги охватывают назначение устройства PCI виртуальной машине на гипервизоре KVM.

В этом примере используется сетевой контроллер PCIe с кодом идентификатора PCI pci_0000_01_00_0 и полностью виртуализированная гостевая машина с именем guest1-rhel6-64 .

Процедура 9.3. Назначение устройства PCI гостевой виртуальной машине с помощью virsh

1. Идентифицировать устройство

   Сначала определите устройство PCI, предназначенное для назначения устройства виртуальной машине. Используйте команду lspci для вывода списка доступных устройств PCI.Вы можете уточнить вывод lspci с помощью grep .

   В этом примере используется контроллер Ethernet, выделенный в следующих выходных данных:

    # lspci | grep Ethernet
     00: 19.0 Ethernet-контроллер: Intel Corporation 82567LM-2 Gigabit Network Connection 
   01: 00.0 Контроллер Ethernet: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01)
   01: 00.1 Контроллер Ethernet: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01) 

   Этот контроллер Ethernet отображается с коротким идентификатором 00:19.0 . Нам нужно узнать полный идентификатор, используемый virsh , чтобы назначить это устройство PCI виртуальной машине.

   Для этого используйте команду virsh nodedev-list , чтобы вывести список всех устройств определенного типа ( pci ), подключенных к хост-машине. Затем посмотрите на вывод строки, которая соответствует короткому идентификатору устройства, которое вы хотите использовать.

   В этом примере выделяется строка, которая отображается на контроллер Ethernet с коротким идентификатором 00:19.0 . В этом примере : и . символов заменяются подчеркиванием в полном идентификаторе.

    # virsh nodedev-list --cap pci
   pci_0000_00_00_0
   pci_0000_00_01_0
   pci_0000_00_03_0
   pci_0000_00_07_0
   pci_0000_00_10_0
   pci_0000_00_10_1
   pci_0000_00_14_0
   pci_0000_00_14_1
   pci_0000_00_14_2
   pci_0000_00_14_3
   pci_0000_  00_19_0 
   pci_0000_00_1a_0
   pci_0000_00_1a_1
   pci_0000_00_1a_2
   pci_0000_00_1a_7
   pci_0000_00_1b_0
   pci_0000_00_1c_0
   pci_0000_00_1c_1
   pci_0000_00_1c_4
   pci_0000_00_1d_0
   pci_0000_00_1d_1
   pci_0000_00_1d_2
   pci_0000_00_1d_7
   pci_0000_00_1e_0
   pci_0000_00_1f_0
   pci_0000_00_1f_2
   pci_0000_00_1f_3
   pci_0000_01_00_0
   pci_0000_01_00_1
   pci_0000_02_00_0
   pci_0000_02_00_1
   pci_0000_06_00_0
   pci_0000_07_02_0
   pci_0000_07_03_0 

   Запишите номер устройства PCI, который соответствует устройству, которое вы хотите использовать; это требуется на других этапах.

2. Просмотр информации об устройстве

   Информация о домене, шине и функции доступна из вывода команды virsh nodedev-dumpxml :

    virsh nodedev-dumpxml pci_0000_00_19_0
   <устройство>
      pci_0000_00_19_0 
      компьютер 
     <драйвер>
        e1000e 
     
     <тип возможности = 'pci'>
       <домен> 0 
        0 
        25 
        0 
        Гигабитное сетевое соединение 82579LM 
        Корпорация Intel 
       
         <адрес домен = '0x0000' шина = '0x00' слот = '0x19' функция = '0x0' />
       
     
    

   Группа IOMMU определяется на основе видимости и изоляции устройств с точки зрения IOMMU.Каждая группа IOMMU может содержать одно или несколько устройств. Когда присутствует несколько устройств, все конечные точки в группе IOMMU должны быть заявлены для любого устройства в группе, которое будет назначено гостю. Это может быть выполнено либо путем назначения дополнительных конечных точек гостевой системе, либо путем отсоединения их от драйвера хоста с помощью virsh nodedev-detach . Устройства, входящие в одну группу, не могут быть разделены между несколькими гостями или между хостом и гостем. Не конечные устройства, такие как корневые порты PCIe, порты коммутаторов и мосты, не следует отсоединять от драйверов хоста, и они не будут мешать назначению конечных точек.

   Устройства в группе IOMMU можно определить с помощью раздела iommuGroup выходных данных virsh nodedev-dumpxml . Каждый член группы указывается в отдельном поле «адрес». Эту информацию также можно найти в sysfs, используя следующее:

    $ ls / sys / bus / pci / devices /  0000: 01: 00.0  / iommu_group / devices / 

   Пример вывода из этого будет:

    0000: 01: 00.0 0000: 01: 00.1 

   Назначить только 0000.01.00.0 для гостя, неиспользуемая конечная точка должна быть отсоединена от хоста перед запуском гостя:

    $ virsh nodedev-detach  pci_0000_01_00_1  

3. Определите необходимые детали конфигурации

   Обратитесь к выходным данным команды virsh nodedev-dumpxml pci_0000_00_19_0 для значений, необходимых для файла конфигурации.

   Пример устройства имеет следующие значения: bus = 0, slot = 25 и function = 0.В десятичной конфигурации используются эти три значения:

    автобус = '0'
   slot = '25 '
   function = '0' 

4. Добавить сведения о конфигурации

   Запустите virsh edit , указав имя виртуальной машины, и добавьте запись устройства в раздел , чтобы назначить устройство PCI гостевой виртуальной машине.

    # virsh edit  guest1-rhel6-64 
   
     <источник>
        <адрес домен = '0' шина = '0' слот = '25 'функция =' 0 '/>
     
    

   В качестве альтернативы запустите virsh attach-device , указав имя виртуальной машины и гостевой XML-файл:

    virsh attach-device  guest1-rhel6-64   файл.xml  

5. Запустить виртуальную машину

    # virsh start  guest1-rhel6-64  

Теперь устройство PCI должно быть успешно назначено виртуальной машине и доступно для гостевой операционной системы.

9.1.2. Назначение устройства PCI с помощью virt-manager

Устройства PCI можно добавить к гостевым виртуальным машинам с помощью графического инструмента virt-manager . Следующая процедура добавляет контроллер Gigabit Ethernet к гостевой виртуальной машине.

Процедура 9.4. Назначение устройства PCI гостевой виртуальной машине с помощью virt-manager

1. Откройте настройки оборудования

   Откройте гостевую виртуальную машину и нажмите кнопку Добавить оборудование , чтобы добавить новое устройство к виртуальной машине.

   Рисунок 9.1. Окно информации об оборудовании виртуальной машины

2. Выберите устройство PCI

   Выберите PCI Host Device из списка Hardware слева.

   Выберите неиспользуемое устройство PCI. Если вы выберете устройство PCI, которое используется другим гостем, может возникнуть ошибка. В этом примере используется запасное сетевое устройство 82576. Щелкните Finish , чтобы завершить настройку.

   Рисунок 9.2. Мастер добавления нового виртуального оборудования

3. Добавить новое устройство

   Настройка завершена, и гостевая виртуальная машина теперь имеет прямой доступ к устройству PCI.

   Рисунок 9.3. Окно информации об оборудовании виртуальной машины

Если назначение устройства не удается, могут быть другие конечные точки в той же группе IOMMU, которые все еще подключены к хосту. Невозможно получить информацию о группе с помощью virt-manager, но команды virsh могут использоваться для анализа границ группы IOMMU и, при необходимости, секвестра устройств.

9.1.3. Назначение устройства PCI с помощью virt-install

Чтобы использовать virt-install для назначения устройства PCI, используйте параметр --host-device .

Процедура 9.5. Назначение устройства PCI виртуальной машине с помощью virt-install

1. Идентифицировать устройство

   Определите устройство PCI, предназначенное для назначения устройства гостевой виртуальной машине.

    # lspci | grep Ethernet
   00: 19.0 Контроллер Ethernet: Intel Corporation 82567LM-2 Gigabit Network Connection
   01: 00.0 Контроллер Ethernet: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01)
   01: 00.1 Контроллер Ethernet: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01) 

   Команда virsh nodedev-list выводит список всех устройств, подключенных к системе, и идентифицирует каждое устройство PCI с помощью строки.Чтобы ограничить вывод только устройствами PCI, выполните следующую команду:

    # virsh nodedev-list --cap pci
   pci_0000_00_00_0
   pci_0000_00_01_0
   pci_0000_00_03_0
   pci_0000_00_07_0
   pci_0000_00_10_0
   pci_0000_00_10_1
   pci_0000_00_14_0
   pci_0000_00_14_1
   pci_0000_00_14_2
   pci_0000_00_14_3
   pci_0000_00_19_0
   pci_0000_00_1a_0
   pci_0000_00_1a_1
   pci_0000_00_1a_2
   pci_0000_00_1a_7
   pci_0000_00_1b_0
   pci_0000_00_1c_0
   pci_0000_00_1c_1
   pci_0000_00_1c_4
   pci_0000_00_1d_0
   pci_0000_00_1d_1
   pci_0000_00_1d_2
   pci_0000_00_1d_7
   pci_0000_00_1e_0
   pci_0000_00_1f_0
   pci_0000_00_1f_2
   pci_0000_00_1f_3
   pci_0000_01_00_0
   pci_0000_01_00_1
   pci_0000_02_00_0
   pci_0000_02_00_1
   pci_0000_06_00_0
   pci_0000_07_02_0
   pci_0000_07_03_0 

   Запишите номер устройства PCI; номер нужен на других этапах.

   Информация о домене, шине и функциях доступна из вывода команды virsh nodedev-dumpxml :

    # virsh nodedev-dumpxml pci_0000_01_00_0
   <устройство>
      pci_0000_01_00_0 
      pci_0000_00_01_0 
     <драйвер>
        igb 
     
     <тип возможности = 'pci'>
       <домен> 0 
        1 
        0 
        0 
        82576 гигабитное сетевое соединение 
        Корпорация Intel 
       
         <адрес домен = '0x0000' шина = '0x00' слот = '0x19' функция = '0x0' />
       
     
    

   Если в группе IOMMU есть несколько конечных точек и не все из них назначены гостю, вам необходимо вручную отсоединить другие конечные точки от хоста, выполнив следующую команду перед запуском гостя:

    $ virsh nodedev-detach  pci_0000_00_19_1  

2. Добавить устройство

   Используйте вывод идентификатора PCI из команды virsh nodedev в качестве значения для параметра --host-device .

    virt-install \
   --name = guest1-rhel6-64 \
   - путь к диску = / var / lib / libvirt / images / guest1-rhel6-64.img, size = 8 \
   --nonsparse --graphics spice \
   --vcpus = 2 --ram = 2048 \
   --location = http: //example1.com/installation_tree/RHEL6.0-Server-x86_64/os \
   --nonetworks \
   --os-type = linux \
   --os-вариант = rhel6
   --host-device =  pci_0000_01_00_0  

3. Завершить установку

   Завершите гостевую установку. Устройство PCI должно быть подключено к гостю.

9.1.4. Отсоединение назначенного устройства PCI

Когда хост-устройство PCI было назначено гостевой машине, хост больше не может использовать это устройство. Прочтите этот раздел, чтобы узнать, как отсоединить устройство от гостя с помощью virsh или virt-manager , чтобы оно было доступно для использования хостом.

Процедура 9.6. Отсоединение устройства PCI от гостевой системы с помощью virsh

1. Отсоединение устройства

   Используйте следующую команду, чтобы отсоединить устройство PCI от гостя, удалив его из гостевого XML-файла:

    # virsh detach-device  name_of_guest   файл.xml  

2. Повторно подключите устройство к хосту (необязательно)

   Если устройство находится в режиме управления , пропустите этот шаг. Устройство будет автоматически возвращено хосту.

   Если устройство не использует режим управления , используйте следующую команду для повторного подключения устройства PCI к хост-машине:

    # virsh nodedev-reattach  устройство  

   Например, чтобы повторно подключить устройство pci_0000_01_00_0 к хосту:

    virsh nodedev-reattach pci_0000_01_00_0 

   Теперь устройство доступно для хоста.

Процедура 9.7. Отсоединение устройства PCI от гостевой системы с помощью virt-manager

1. Откройте экран сведений о виртуальном оборудовании

   В virt-manager дважды щелкните виртуальную машину, содержащую устройство. Нажмите кнопку Показать сведения о виртуальном оборудовании , чтобы отобразить список виртуального оборудования.

   Рисунок 9.4. Кнопка сведений о виртуальном оборудовании

2. Выбор и удаление устройства

   Выберите устройство PCI, которое нужно отключить, из списка виртуальных устройств на левой панели.

   Рисунок 9.5. Выбор отключаемого устройства PCI

   Нажмите кнопку Remove для подтверждения. Теперь устройство доступно для хоста.

9.1.5. Создание мостов PCI

Мосты соединения периферийных компонентов (PCI) используются для подключения к таким устройствам, как сетевые карты, модемы и звуковые карты. Как и их физические аналоги, виртуальные устройства также могут быть подключены к мосту PCI.Раньше к любой гостевой виртуальной машине можно было добавить только 31 устройство PCI. Теперь, когда добавляется 31-е устройство PCI, мост PCI автоматически помещается в 31-й слот, перемещая дополнительное устройство PCI к мосту PCI. Каждый мост PCI имеет 31 слот для 31 дополнительного устройства, все из которых могут быть мостами. Таким образом, для гостевых виртуальных машин может быть доступно более 900 устройств.

Это действие невозможно выполнить, когда запущена гостевая виртуальная машина. Вы должны добавить устройство PCI на гостевую виртуальную машину, которая выключена.

Сетевое устройство PCI (заданное элементом ) напрямую назначается гостю с использованием общего устройства , проходящего через , после первой необязательной установки MAC-адреса устройства на настроенное значение и связывания устройства с устройством с поддержкой 802.1Qbh. переключиться с помощью необязательно указанного элемента (см. приведенные выше примеры виртуального порта для сетевых устройств type = ‘direct’). Из-за ограничений в конструкции драйвера стандартной однопортовой карты Ethernet PCI — таким образом можно назначать только устройства виртуальных функций (VF) SR-IOV (Single Root I / O Virtualization); чтобы назначить гостю стандартную однопортовую карту PCI или PCIe Ethernet, используйте традиционное определение устройства .

Чтобы использовать назначение устройств VFIO вместо традиционного / устаревшего назначения устройств KVM (VFIO — это новый метод назначения устройств, совместимый с UEFI Secure Boot), интерфейс может иметь дополнительный подэлемент драйвера с атрибутом имени, установленным на «vfio». Чтобы использовать устаревшее назначение устройства KVM, вы можете установить имя «kvm» (или просто опустить элемент , поскольку в настоящее время является значением по умолчанию).

Интеллектуальная сквозная передача сетевых устройств очень похожа на функциональность стандартного устройства , с той разницей, что этот метод позволяет указать MAC-адрес и для проходного устройства. Если эти возможности не требуются, если у вас есть стандартная сетевая карта с одним портом PCI, PCIe или USB, которая не поддерживает SR-IOV (и, следовательно, в любом случае потеряет настроенный MAC-адрес во время сброса после назначения гостевому домену) , или если вы используете версию libvirt старше 0.9.11 для назначения устройства гостю следует использовать стандартный вместо .

     <устройства>
    <тип интерфейса = 'hostdev'>
      <имя драйвера = 'vfio' />
      <источник>
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x00' slot = '0x07' function = '0x0' />
      
      
      <тип виртуального порта = '802.1Qbh'>
        <параметры profileid = 'finance' />
      
    
   

Рисунок 9.6. Пример XML для назначения устройства PCI

9.1.7. Настройка назначения PCI (сквозной) с устройствами SR-IOV

Этот раздел предназначен только для устройств SR-IOV. Сетевые карты SR-IOV предоставляют несколько виртуальных функций (VF), каждая из которых может быть индивидуально назначена гостевым виртуальным машинам с использованием назначения устройств PCI. После назначения каждое из них будет вести себя как полноценное физическое сетевое устройство. Это позволяет многим гостевым виртуальным машинам получить преимущество в производительности за счет прямого назначения устройств PCI, используя только один слот на физической машине хоста.

Процедура 9.8. Настройка MAC-адресов, vLAN и виртуальных портов для назначения устройств PCI на SR-IOV

1. Завершение работы гостевой виртуальной машины

    #  Завершение работы virsh  guestVM   

2. Сбор информации

   Чтобы использовать , у вас должна быть сетевая карта с поддержкой SR-IOV, оборудование физического компьютера хоста, которое поддерживает расширения Intel VT-d или AMD IOMMU, и вы должны знать PCI адрес VF, который вы хотите назначить.

3. Открыть файл XML для редактирования

   Выполните команду # virsh save-image-edit , чтобы открыть файл XML для редактирования (дополнительную информацию см. В Раздел 14.8.10, «Редактирование файлов конфигурации XML домена»). Поскольку вы хотите восстановить гостевую виртуальную машину в ее прежнем рабочем состоянии, в этом случае будет использоваться --running . Имя файла конфигурации в этом примере — guestVM.xml , так как имя гостевой виртуальной машины — guestVM .

    #  virsh save-image-edit  guestVM.xml   - выполняется   

   guestVM.xml откроется в редакторе по умолчанию.

4. Редактировать файл XML

   Обновите файл конфигурации ( guestVM.xml ), чтобы он имел запись <устройства> , подобную следующей:

   
    <устройства>
      ...
      
        <источник>
          
    
        
         
        <тип виртуального порта = '802.1Qbh '> 
          <параметры profileid = 'finance' />
        
         
         <тег />
        
      
      ...
    
   
    

   Рисунок 9.7. Пример XML домена для типа интерфейса hostdev

   Обратите внимание, что если вы не предоставите MAC-адрес, он будет автоматически сгенерирован, как и в случае с любым другим типом интерфейсного устройства.Кроме того, элемент используется только при подключении к аппаратному коммутатору 802.11Qgh (коммутаторы 802.11Qbg (также известные как «VEPA») в настоящее время не поддерживаются.

5. Перезапустить гостевую виртуальную машину

   Выполните команду virsh start , чтобы перезапустить гостевую виртуальную машину, которую вы выключили на первом шаге (в примере используется guestVM в качестве доменного имени гостевой виртуальной машины). Обратитесь к Разделу 14.8.1, «Запуск определенного домена» для получения дополнительной информации.

    #  virsh start  guestVM   

   Когда гостевая виртуальная машина запускается, она видит сетевое устройство, предоставленное ей адаптером физического хоста, с настроенным MAC-адресом. Этот MAC-адрес останется неизменным при перезагрузке гостевой виртуальной машины и физической машины хоста.

9.1.8. Настройка назначения устройства PCI из пула виртуальных функций SR-IOV

Жесткое кодирование адресов PCI определенных виртуальных функций (VF) в гостевой конфигурации имеет два серьезных ограничения:

• Указанный VF должен быть доступен каждый раз при запуске гостевой виртуальной машины, подразумевая, что администратор должен постоянно назначать каждую VF одной гостевой виртуальной машине (или изменять файл конфигурации для каждой гостевой виртуальной машины, чтобы указать неиспользуемый в настоящее время PCI-адрес VF для каждой виртуальной машины). при запуске каждой гостевой виртуальной машины).

• Если гостевая виртуальная машина перемещается на другую физическую машину хоста, эта физическая машина хоста должна иметь точно такое же оборудование в том же месте на шине PCI (или, опять же, конфигурация гостевой виртуальной машины должна быть изменена перед запуском).

Обе эти проблемы можно избежать, создав сеть libvirt с пулом устройств, содержащим все VF устройства SR-IOV. Как только это будет сделано, вы должны настроить гостевую виртуальную машину для ссылки на эту сеть.При каждом запуске гостя из пула выделяется один VF, который назначается гостевой виртуальной машине. Когда гостевая виртуальная машина остановлена, VF будет возвращен в пул для использования другой гостевой виртуальной машиной.

Процедура 9.9. Создание пула устройств

1. Завершение работы гостевой виртуальной машины

    #  Завершение работы virsh  guestVM   

2. Создание файла конфигурации

   Используя выбранный вами редактор, создайте XML-файл (с именем passthrough.xml , например) в каталоге / tmp . Обязательно замените pf dev = 'eth4' на имя netdev PF вашего собственного устройства SR-IOV.

   Ниже приведен пример определения сети, которое сделает доступным пул всех VF для адаптера SR-IOV с его физической функцией (PF) в «eth4» на физической машине хоста:

         
   <сеть>
       passthrough  
      
         
      
   
         
   
    

   Рисунок 9.8. Пример домена определения сети XML

3. Загрузите новый файл XML

   Выполните следующую команду, заменив /tmp/passthrough.xml именем и расположением вашего XML-файла, созданного на предыдущем шаге:

    #  virsh net-define  /tmp/passthrough.xml   

4. Перезапуск гостевой системы

   Выполните следующую команду, заменив passthrough.xml именем вашего XML-файла, созданного на предыдущем шаге:

    #  virsh net-autostart  passthrough   #  virsh net-start  passthrough   

5. Перезапустить гостевую виртуальную машину

   Выполните команду virsh start , чтобы перезапустить гостевую виртуальную машину, которую вы выключили на первом шаге (в примере используется guestVM в качестве доменного имени гостевой виртуальной машины).Обратитесь к Разделу 14.8.1, «Запуск определенного домена» для получения дополнительной информации.

    #  virsh start  guestVM   

6. Запуск сквозной передачи для устройств

   Хотя показано только одно устройство, libvirt автоматически выведет список всех VF, связанных с этим PF, при первом запуске гостевой виртуальной машины с определением интерфейса в XML домена, как показано ниже:

            
   <тип интерфейса = 'сеть'>
      <исходная сеть = 'сквозной'>
   
         
   
    

   Рисунок 9.9. Пример XML домена для определения сети интерфейса

7. Проверка

   В этом можно убедиться, выполнив команду virsh net-dumpxml passthrough после запуска первого гостя, использующего сеть; вы получите следующий результат:

         
   <сетевые подключения = '1'>
       сквозной 
       a6b49429-d353-d7ad-3185-4451cc786437 
      
        
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x10' function = '0x1' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x10' function = '0x3' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x10' function = '0x5' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x10' function = '0x7' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x11' function = '0x1' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x11' function = '0x3' />
        <тип адреса = 'pci' domain = '0x0000' bus = '0x02' slot = '0x11' function = '0x5' />
      
   
         
   
    

   Рисунок 9.10. Файл дампа XML для прохождения содержимое

STORZ Оборудование для медицинской ударно-волновой терапии Устройство для продажи

Компания Medical Wave верит в лучшие методы лечения с помощью новых технологий. STORZ Medical является ведущим производителем медицинского оборудования с 1941 года. Миссия STORZ заключается в постоянном улучшении технологии EPAT / Shockwave, разработке новых концепций системы и определении новых показаний к терапии в тесном сотрудничестве с ведущими медицинскими институтами.

Узнайте, как Medical Wave использует более 75 лет медицинских исследований и разработок всемирно известного производителя медицинских изделий STORZ Medical.

Портативное ударно-волновое устройство EPAT нового поколения

Новаторский «Однокадровый корпус» D-Actor впечатляет своим новаторским трехмерным дизайном. Четкие линии и передняя панель, напоминающая мощность сигнала EPAT, надежность и непревзойденную эффективность.

Новое поколение Наконечник с ручным управлением

Новое поколение ручного управления, в котором все основные элементы управления интегрированы в наконечник.Это обеспечивает более безопасное лечение пациентов, поскольку изменения настроек можно вносить, не отводя взгляда от пациента. Частоту, уровни энергии и силу давления можно регулировать непосредственно с помощью кнопок выбора. Единственный в своем роде продукт на рынке

Наконечник V-Actor

Позволяет целенаправленно воздействовать на ткани пневматически генерируемыми импульсами вибрации. Микроциркуляция улучшается за счет сжатия и декомпрессии, а продукты обмена веществ и токсины удаляются через кровь и лимфатическую систему.Удлинение фасциальных и мышечных волокон восстанавливает нормальный мышечный тонус за счет устранения укорочения и затвердевания мышц.

О компании STORZ Medical

Компания STORZ Medical, основанная в 1941 году, ставит своей целью постоянное совершенствование медицинского оборудования, включая технологию волн давления, разработку новых системных концепций и определение новых терапевтических показаний в тесном сотрудничестве с ведущими специалистами. медицинские институты.

STORZ Medical продукция доказала свою эффективность в урологии в миллионах случаев.В течение многих лет их широкий спектр возможностей и уникальные преимущества, предлагаемые неинвазивной технологией волн давления, также были распространены на другие медицинские дисциплины.

Используя самые современные технологические инновации, STORZ Medical установила стандарты в ортопедии, реабилитационной медицине, эстетической медицине и ветеринарии.

Новаторские достижения, такие как изобретение электромагнитного цилиндрического источника, первое применение волн давления при реваскуляризации сердца и комбинированная терапия волнами давления (сфокусированные, плоские и радиальные волны давления), являются убедительным доказательством широкого спектра характеристик медицинского оборудования STORZ.

STORZ Medical — лидер в области технологии волн давления, также известной как терапия EPAT или технология экстракорпоральных ударных волн (ESWT).