方法文章

微型自动光泳捕获装置的制备与测试

5.3K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/63113

⸱

2021年11月23日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Electrical Engineering, Brigham Young University

本文内容

摘要

本研究描述并表征了微型自动光泳捕获装置的制备方法。

摘要

本文介绍了一种自动化、可快速制造且兼容的光泳捕获测试平台，旨在推动体显示研究的普及化和众包化。该测试平台可在2小时内使用激光切割机、三维（3D）打印机及常见手动工具完成构建。在当前配置下，该平台可用于测试以下关键参数：颗粒类型、捕获类型、数值孔径和气流，测试速率达到每小时约250个样本。通过少量修改，该平台还可扩展用于测试更多参数，例如激光功率和激光波长，具体可根据用户需求进行调整。该平台可利用机器视觉实现自动化数据采集与分析。文中以简明、易于遵循的步骤描述了测试平台的操作与构建过程。报告了由四个单元组成的测试平台“集群”在激光功率和颗粒类型参数上的实验结果。该平台将通过提升可及性与普及性，拓展光学捕获显示参数的研究范围及其研究群体。

引言

光学捕获显示（OTD）使得科幻作品中所见的显示几何形态成为可能。该技术通过光致泳力捕获微粒，并对微粒进行照明1,2,3,4，随后在空间中拖动该微粒，利用视觉暂留效应，使观察者感知到连续的空中图像5。这种无屏幕的三维显示技术能够呈现诸如远距离投射、高耸式沙盘以及环绕式显示等几何形态1。这些显示形态具有独特吸引力，因其无需屏幕，且生成的内容几乎可以从任何角度观看。

杨百翰大学的研究人员在第一代光泳捕获系统中取得了初步成功，该系统采用扩束镜和检流计扫描器，结合多个反射镜以及一个或多个球面透镜，通过球面像差形成光泳捕获阱1,4。该第一代捕获装置还包含RGB（红-绿-蓝）激光器，以实现精确的彩色显示照明。利用此捕获系统，通过使单个粒子沿复杂路径移动来生成光学三维显示（OTDs）。该方法将图像尺寸限制在1立方厘米以内，并将实时图像的复杂度限制为线框图及其他稀疏内容6,7。此外，由于光泳捕获本身存在不稳定性，该技术的扩展性受到限制8。若能对单个捕获阱/粒子系统进行优化，则可通过复制优化后的捕获阱，并同步捕获与扫描多个粒子来实现显示规模的扩展9。单个捕获阱存在的任何问题在多阱系统中都会被放大，因此对捕获阱和粒子参数的精细优化至关重要。

优化单个捕获阱或捕获系统需要对光泳捕获系统的每个参数进行大量测试7。这些参数包括颗粒类型（物质、形状、尺寸）、激光功率、激光波长以及数值孔径（焦距、直径、倾斜角度）。通过对每个参数进行试错式的测试与实验，可优化单个捕获阱及多个同步捕获阱，但这仍需要收集大量数据。

过去，通过球面像差优化光泳捕获的研究和测试过程仅由全球少数研究人员完成1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。直到最近，杨百翰大学的研究人员一直依赖一套单一、庞大且昂贵的捕获系统来收集所需数据，导致测试和数据采集过程十分缓慢1,7。然而，自2018年将光学捕获显示（OTD）作为三维可视化解决方案提出以来1，来自各大洲、各个年龄段的个人均表现出参与此项研究的强烈意愿。由于光学捕获显示技术引发的广泛兴趣，研究人员希望找到一种方法，使所有感兴趣的人都能参与研究过程。早期的光泳捕获装置包含分束器和检流计，成本过高且制造耗时，难以实现大规模生产和众包1,6，因此亟需一种不同的解决方案。

一种新型的微型光致泳捕获装置已被开发出来，使得所有感兴趣的参与者都能投身于相关研究，并快速测试和收集上述所有关键参数的数据。任何拥有3D打印机和激光切割机的人都能迅速制造该装置。该设计力求将成本和复杂性降至最低，降低风险，并最大限度地提高自动化程度、互联性和灵活性（图1）。新装置采用了目前最简化的光致泳捕获光学配置：仅使用单一激光器和透镜10。这些小型装置一旦搭建完成便易于操作，每小时可进行约250次测试尝试。

通过未来公民科学家和研究人员使用这些装置进行测试所收集的数据，将有助于优化捕获参数和单个捕获点，从而显著推动光致泳捕获技术在三维可视化应用中的发展。

方案

1. 所需材料的3D打印与激光切割

  1. 使用下列材料进行3D打印
    1. 根据补充文件1中提供的信息，使用丝材熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling）3D打印机（参见材料表）打印透镜支架。该透镜支架适用于直径为30 mm的透镜（图2）。
      注意：该文件可轻松修改以适配其他尺寸的透镜。
    2. 接下来，打印悬臂平台及其支架（图2）（补充文件2和补充文件3）。
      注意：打印过程可能需要约2至14小时，具体时间取决于打印精度。只要放置了足量的捕获物质（步骤5.3.4），打印精度不会影响捕获效率。
  2. 使用3D激光切割机（参见材料表），切割出支架组件（图3）（补充文件4-5）。
    注意：该切割可在任何厚度为四分之一英寸的材料上进行，但推荐使用木材。补充文件4包含适用于12英寸×12英寸木板的支架组件设计。补充文件5包含一个可选的光屏蔽/遮光板。
  3. 使用玻璃切割工具（参见材料表），将一支标准试管（直径约2.5 cm）大致切成两半，使具有两个开口的一半长度约为6.5 cm。

2. 组装木质装置

注意：在组装木制装置时，步骤 2.1 - 2.5 中的说明可能会提到 "载玻片" 但碎片可能需要施加更大的力才能准确定位和组装。

  1. 将底座部件放下，使 Y 形标志朝上（图 1A）。
  2. 将两个长侧板分别放置在底座两侧，同时将第一个激光器支架滑入一端，第一个试管支架放置在另一侧（图 1B、C）。
  3. 在旁边位置，将两个电磁铁支架滑入相机支架上。确保两侧的磁铁支架之间相距约 1 cm（图 1D）。
    1. 将磁铁支架与相机支架作为一个整体单元，放置在第一个试管支架旁边，保持间距。因此，试管支架与第一个电磁铁支架之间应有 1 cm 的距离（相机支架超出电磁铁支架边缘的部分可作为 1 cm 的参考）（图 1E）。
      注意：相机支架和遮光罩对于微型捕获系统的主要用途并非必需，但为保持装置设置的一致性，建议同时使用。
  4. 接下来，在两个电磁铁支架之后放置第二个试管支架，使第二个试管支架与第二个电磁铁支架之间保持约 1 cm 的间距。
    注意：总体而言，两个试管支架之间相距约 4 cm（相机安装座宽度为 4 cm，可作为定位参考）（图 1F）。
    1. 如使用可选的遮光罩/遮挡板（补充文件 5），将遮光罩滑入试管支架和电磁铁支架的另一端，与相机支架相对；这有助于居中并对齐试管支架和电磁铁支架。
  5. 将第二个激光器支架滑入到位；无需精确距离。推荐距离为 3–4 cm，但可根据激光器长度进行适当调整。
  6. 如有需要，可在所有支架下方滑入光学导轨（见 材料表），以对齐捕获系统的其他组件。这在对齐激光器、透镜与试管时尤为有用（图 1G）。
  7. 将电磁铁（见 材料表）放入电磁铁支架中（图 1H）。

3. 使用指定的微控制器板连接电路

  1. 将计算机显示器、键盘和鼠标连接到微控制器板（参见材料表）。启动微控制器板，并确保操作系统正常运行。无需更改微控制器的原始配置，但可根据需要选择启用VNC（虚拟网络连接）或SSH（安全外壳协议），以便实现对微控制器的远程访问。
  2. 使用电压调节器（参见材料表）、面包板和若干导线搭建电磁铁控制电路（图4A）。
    ​注意：微控制器板上的所有引脚编号均指GPIO（通用输入输出）引脚。
    1. 将电压调节器插入面包板，确保每个引脚位于不同的行中，以保证正确使用。
    2. 将电压调节器的输入引脚连接至微控制器板上的一个5V电源引脚。
    3. 将电压调节器的调节引脚连接至微控制器板的GPIO 23引脚。
    4. 将电磁铁的输入导线连接至电压调节器的输出引脚，再将电磁铁的输出导线连接至微控制器板的接地引脚；建议在面包板上使用另一行并通过额外导线实现这两点的连接。

4. 上传用于操作系统的代码

注意：上传代码时，需遵循步骤 4.1 或步骤 4.2 之一。步骤 4.1 提供不使用摄像头的代码简易版本的操作说明；步骤 4.2 提供使用摄像头版本的操作说明。

  1. 按照补充文件6中提供的说明执行以下步骤。
    1. 打开终端并导航至用于存储所需文件的位置。通过在终端中输入命令'mkdir'并后接所需的目录名称，在微控制器板上创建一个新目录。该目录将用于存储运行诱捕装置所需的文件。
    2. 将补充文件6插入新创建的目录中。有关详细信息，请参阅该文件开头部分的readme说明。将测试次数（num_tries）修改为所需数值后，程序即可运行。
      注意：该文件包含一个名为num_tries的关键变量，用于控制单次运行中的测试次数。文件中包含若干暂停指令，可根据需要缩短以加快测试速度。
  2. 按照以下步骤在微控制器板上运行并查看SQLite数据库。此过程需要补充文件7-11、一台相机以及相关专业技术。
    1. 在终端中输入命令'Sudo apt-get install SQLite browser'和'Sudo apt-get install sqlite3'，将所需的数据库库安装到微控制器板上。这将使微控制器板能够使用补充文件9自动存储所有测试数据。
    2. 将补充文件11（相机脚本）保存为相机上的main.py文件。可通过文件资源管理器或为相机开发的集成开发环境（IDE）完成此操作（参见材料表）。
      注意：推荐使用IDE，因为它允许用户查看相机的输出，有助于确认相机是否正确对焦。
    3. 将相机连接到微控制器板。使用4个引脚，包括来自相机的接地引脚。必须将接地引脚连接至微控制器板的接地端。以下引脚应按如下方式对应连接：
      1. 将相机引脚8连接至GPIO 19：该引脚将每次诱捕的结果传回树莓派。
      2. 将相机引脚9连接至GPIO 17：该引脚用于授权相机开始搜索。
      3. 将相机引脚7连接至GPIO 5：该引脚为相机状态引脚。
    4. 创建一个目录以存储所有文件。创建该目录后，将补充文件7-10中提供的文件保存至该目录，并分别重命名为readme.txt、main.py、electromagnet.py和test_insert.py。
    5. 仔细阅读补充文件7（ReadMe.txt）。
      注意：readme文件详细说明了每个文件的功能，以及可能需要对各文件进行的修改，例如数据库的目录路径。
    6. 打开在步骤4.2.1中安装的数据库查看器。点击新建数据库按钮，并将数据库保存在与其他文件相同的目录中。新建的数据库名称必须与test_insert.py文件中指定的数据库文件名称一致。
    7. 在数据库内，为新数据库创建一个数据表以存储测试数据。该数据表应包含5个字段：parameter_type、trapped、testname、testnum和rigID。
      注意：数据表结构必须严格按照规定设置，否则需在main.py和test_insert.py中进行额外修改。

5. 测试准备

  1. 将透镜放入透镜支架中，以准备透镜。确保在测试过程中透镜保持在支架内。此处可能需要使用少量热熔胶。
    注意：该装置需使用球面双凸透镜，以确保捕获区域的正确形成。
  2. 完成透镜准备（步骤5.1）后，将透镜支架放置在光学导轨上，并将激光器（见材料表）放入激光器支架中。
    注意：材料列表中推荐的激光器在使用前无需校准。激光器工作时必须佩戴防护眼镜。
    1. 利用透镜和激光器或其他光源，找到激光的焦点，并沿光学导轨滑动透镜支架，直至焦点位于电磁铁正上方。
      注意：此步骤对捕获至关重要；若焦点未对准电磁铁中心，悬臂平台将无法将颗粒提升至焦点位置。
    2. 用铅笔在木制底座上标记该位置，以供后续参考。
      注意：每个透镜均附有标称焦距，但这些数值并不总是准确的。
  3. 准备捕获位点
    1. 确保激光器已正确关闭。
    2. 使用热熔胶枪，将一个与电磁铁极性相同的微小按钮磁铁（见材料表）粘贴在平台的平坦表面上，使电磁铁能够排斥该平台。
      注意：磁铁的极性必须正确匹配，以确保平台被电磁铁排斥，从而将颗粒推入激光束中，实现捕获。
    3. 取3D打印的悬臂式平台，并用黑色铝箔包裹平台表面，以防止平台受热熔化。
      注意：可使用普通铝箔，但其反光过强，会影响相机系统的成像效果。建议使用黑色铝箔胶带（见材料表），其与相机兼容性良好（图5A）。推荐使用铝箔，因其可方便更换以测试不同物质，但也可根据需要选用类似产品。
    4. 在平台表面覆盖铝箔后，将用户选定的待测颗粒类型放置于平台的倾斜侧面上（颗粒类型选项见材料表，或参见图6A）。
    5. 轻柔地将悬臂臂插入圆形支架中，使磁铁面朝外。然后将试管轻轻插入同一支架中。若操作正确，磁铁将几乎接触玻璃管壁（图5B）。
    6. 将试管放置于试管支架上，使平台位于电磁铁正上方。若磁铁已正确固定在悬臂平台上，悬臂应呈现被电磁铁排斥而抬起的状态。
  4. 将相机放入相机支架中，以捕捉平台上方或周围可能出现的捕获现象。然后再次检查所有其他部件的位置（图1I-J）。

6. 开始测试

注意：测试时，需执行步骤 6.1 或步骤 6.2 之一。

  1. 如果使用步骤 4.1 中的说明，请在文件中按 开始，或从终端正常启动文件。
  2. 如果使用步骤 4.2 中的说明，请在终端中使用如下所述的参数启动此测试。
    1. 使用终端命令，在正确的目录中运行文件系统一次，命令为 "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter"。文件 main.py 已在 补充文件 8 中提供。
    2. 将 test_num 替换为所需的测试次数。将 Parameter_type 替换为测试所关注的参数类型。
      注意：例如，如果正在进行测试以确定哪种激光功率最佳，则 Parameter_type 应替换为 laser_power，exact_parameter 应替换为当前激光器的光输出功率。

结果

通过遵循上述方案所取得的主要成果是构建了一个微型光泳捕获装置，可用于快速测试各种参数。迄今为止，这些装置已被用于测试两个关键参数：激光功率和颗粒类型。多个微型装置的并行运行使研究人员能够在更短的时间内收集到样本量大得多的数据。

在开发上述方案期间进行的首次测试是激光功率测试。该测试使用了一个单独的微型装置，未配备相机检测系统（因为该系统尚未开发完成）；取而代之的是采用方案中的步骤4.1。这要求研究人员亲自参与所有捕获事件的数据采集。本次测试的目的是确定实现有效捕获所需的理想激光功率输出。通过在装置的激光器与透镜之间放置一个光学衰减器（可变中性密度滤光片），调节激光的光功率。图7展示了本实验的结果。较高的光功率输出对应更高的捕获率。在全功率输出时，该激光器在此测试中记录到最高的捕获率。然而，本测试仅限于一台最大光功率约为120 mW的激光器。

第二次测试旨在确定哪种材料或物质具有最高的捕获效率。该测试使用一个不带摄像头检测系统的单一微型试验装置进行。共测试了10种不同的颗粒，每种颗粒进行100次试验（所有测试物质及其描述均可在材料表中找到）。由于每次试验均需研究人员人工观察以收集数据，因此样本量限制为100次。所有必要数据在两个工作日内完成收集。图6A展示了颗粒类型测试的结果。在测试的10种材料/颗粒类型中，发现金刚石纳米颗粒（55–75%）和打印机碳粉是捕获效率最高的两种颗粒类型，其捕获率分别为14%和10%（表1）。

在前两次测试之后，研究人员感到受限于单一的装置，需要在测试过程中持续人工监视；这促使了方案中第4.2步的提出。该方案包含一个摄像头检测系统，使用户能够同时运行多个小型测试装置，且无需人员在场进行测试。

为了测试这套新型相机系统，对颗粒类型测试进行了修改后的重复实验。仅从最初使用的10种颗粒中选取了少数几种进行重新测试。所选颗粒经历了一轮新的测试。使用由四个微型测试装置组成的测试平台“农场”，每种选定颗粒的总测试样本量为4000次尝试。所有必要的数据再次在两个完整工作日内收集完成（表2）。本次颗粒类型重复测试的主要目的是验证新型相机系统的性能。该测试使得研究人员人工报告捕获结果与相机检测系统所得结果之间能够进行比较。测试结果与原始测试略有差异，但仍具有可比性（图6B）。在初始测试中表现最优的颗粒类型——55–75%的金刚石纳米颗粒，在重复测试中仍为最优，但其捕获率略低于此前结果。结果差异很可能源于更大的样本量以及相机检测系统本身的不完善。尽管本次颗粒测试的结果与预期略有出入，但在测试材料保持不变的其他参数（如激光功率或透镜焦距）时，相机脚本所获取的结果将是可靠的。

三项测试的结果均相对于所使用的装置而言，但数据中发现的趋势在其他更精密的光泳测试装置上进行验证时也将成立。微型测试装置并非旨在完全取代其他测试装置，而是旨在让研究人员能够快速高效地通过经验式（试错）测试探索所有参数和可能性，以发现趋势和新现象，为进一步在更精密装置上的研究提供依据。

自制光谱仪的组装过程及光谱实验中光学分析的最终装置。
图1：微型光泳测试装置的逐步组装过程及最终完成状态。该图对应步骤2及其子步骤。(A) 显示步骤2.1。(B) 演示步骤2.2，即带有两个长边的底座。(C) 显示步骤2.2，装置框架，包含底座、两侧板以及第一个激光器支架和试管支架。(D) 步骤2.3，展示了与两个电磁铁支架组合的相机支架。(E) 步骤2.3.1，为图1C和图1D的组合结构。(F) 步骤2.4，已添加第二个试管支架和第二个激光器支架。(G) 已添加可选的遮光罩和光学导轨。(H) 电磁铁已安装至其支架中。(I) 激光器和试管已放置于各自的支架中。(J) 此图为完整组装完成的测试装置，但尚未连接微控制器板的电源。请点击此处查看该图的放大版本。

透镜与平台支架、悬臂、磁铁；用于静态平衡研究的光学装置示意图
图2：3D打印部件。 本图包含透镜支架、圆形平台支架和悬臂平台。3D打印透镜支架的设计文件见补充文件1。该透镜支架打印后适用于直径为30 mm的透镜。补充文件2-3包含平台支架和平台的设计文件。平台支架具有四组安装孔位可供平台使用，但为使装置按设计正常工作，平台应使用图中所示的孔位。请点击此处查看该图的放大版本。

用于测量的光谱装置示意图，包含激光器、试管、电磁铁和相机支架。
图3：标示的激光切割部件。本图展示了补充文件4中的各个部件，该文件包含除可选光屏蔽罩以外所有激光切割部件的设计图。打印完成后，应包括1个底座、2个侧板、2个激光器支架、2个试管支架、2个电磁铁支架和2个相机支架（仅需使用一个）。可选的光屏蔽罩可在补充文件5中找到。请点击此处查看该图的放大版本。

面包板电压调节电路；树莓派连接设置；GPIO、晶体管使用。
图4：电压调节器与电磁铁电路。（A）搭建电路时作为参考。电压调节器有3个引脚：调整端、输入端和输出端。（B）本图展示了第3步中所述的完整电路。请点击此处查看此图的放大版本。

超级电容器电极；组装示意图；储能研究；原型组件。
图 5：平台制备与试管捕获装置示意图。（A）在开始测试之前，必须先完成平台的准备。用于激光拾取微粒的微粒储库将在测试前立即放置于平台上。在放置微粒之前，应先在平台上铺设黑色铝箔，以防止激光熔穿平台。（B）测试过程中，微粒的实际捕获发生在试管内部，从而确保每次捕获尝试时平台的自动运动保持一致。请点击此处查看该图的放大版本。

平均捕获率比较图表；通过人工与相机方法检测物质。
图6：颗粒类型测试（人工）与（相机）。（A）对10种不同颗粒进行测试，以确定捕获率最佳的颗粒。（B）使用相机检测系统进行第二次颗粒类型测试，仅测试了原始10种颗粒中的4种。请点击此处查看该图的放大版本。

捕获率与功率水平的关系图；关键概念：捕获效率，数据分析结果。
图7：激光功率测试结果。在激光功率测试期间，测量了不同激光功率水平下的捕获率。较高的功率产生了更高的捕获率。请点击此处查看该图的放大版本。

黑液（粉末）黑液（膏状）钨（12 微米）钨（1-5 微米）铝粉打印机碳粉石墨纳米金刚石（95%）纳米金刚石（55-75%）尼格罗辛
1221032152
1320121231
2111031131
2102020130
675411045144
6.00%7.00%5.00%4.00%1.00%10.00%4.00%5.00%14.00%4.00%

表1：具有最佳捕获率的颗粒类型测试结果。 每种材料进行4组、每组25次，共100次尝试的总样本量。

黑液膏金刚石纳米颗粒 55-75%石墨钨（12 微米）
2.10%11.70%10.60%6.40%

表2：使用相机检测系统进行的颗粒类型测试结果。 数据来源于SQLite数据库。每种材料的数据最初分为4组，每组1000条，样本量共计4000。各组的单条记录未从SQLite中汇总，仅汇总了总百分比。

补充文件 1：File_1-Lens Holder.stl。该文件包含透镜支架的 3D 打印文件（见图 2）。请点击此处下载该文件。

补充文件 2：File_2-Platform.stl。该文件包含悬臂平台的 3D 打印文件（见图 2）。请点击此处下载该文件。

补充文件 3：File_3-Platform Holder.stl。该文件包含平台支架的 3D 打印文件（见图 2）。请点击此处下载该文件。

补充文件 4：File_4-Rig Pieces.odg。该文件包含实验装置部件的激光切割文件（见图 1和图 3）。请点击此处下载该文件。

补充文件 5：File_5-Light Shield.odg。该文件包含可选的光屏蔽板/遮光块的激光切割文件。请点击此处下载该文件。

补充文件 6：File_6-Opt1.system.py。该文件包含步骤 4.1 中指令使用的全部代码。请点击此处下载该文件。

补充文件 7：File_7-Opt2.Read Me.txt。该文件包含有关 补充文件 8-11的一些详细说明的自述文件。请点击此处下载该文件

补充文件 8：File_8-Opt2.main.py。该文件包含步骤 4.2 中所述指令的主脚本。请点击此处下载该文件。

补充文件 9：File_9-Opt2.electromagnet.py。该文件包含用于控制电磁铁的步骤 4.2 的脚本。请点击此处下载该文件。

补充文件 10：File_10-Opt2.test_insert.py。该文件包含步骤 4.2 的脚本，可自动将数据上传至数据库。请点击此处下载该文件。

补充文件 11：File_11-Opt2.camera_controller.py。该文件包含在步骤 4.2.2 中需要上传到相机的脚本。请点击此处下载该文件。

讨论

本方案包含若干关键步骤，对捕获装置的自动运行至关重要。首先，必须通过指定电路将电磁铁正确连接至微控制器板。若无电磁铁，微型测试装置的整体功能将无法实现。电磁铁通过将悬臂平台上的颗粒储库抬升至激光光路中，来控制每一次捕获尝试。每次捕获尝试即为一次平台升降循环。

摄像机仅在方案描述的步骤4.2中使用，但对该选项至关重要。步骤4.2需要使用摄像机来检测颗粒是否已被捕获，从而实现从多个装置中收集数据。如果摄像机未正确连接，装置将无法进行任何捕获尝试。

第三步也是最关键的一步，即步骤 5.2.1，是激光的对准与聚焦。透镜必须放置在使焦点落在电磁铁上方的位置。悬臂平台将在电磁铁上方穿过焦点，从而实现对微粒的捕获。假设焦点未对准电磁铁中心，则难以确保携带微粒的悬臂平台能够穿过焦点形成捕获，这可能导致无法形成有效捕获。此外，必须将平台抬高至电磁铁上方，以避免激光路径持续接触平台，否则可能引起相机误报假阳性信号。为了更方便地调节焦点位置，建议在装置搭建过程中使用光学导轨；这将使用户能够轻松前后滑动透镜支架，以准确调整焦点位置。如果装置已正确构建，则激光器与试管/悬臂部件已预先对准；使用光学导轨可保持透镜与其他部件之间的对准一致性。

本方案中详细描述了两种独立的选项，即步骤4.1和步骤4.2。第一种选项（步骤4.1）是运行微型敲击装置的原始简易方法，该方法依赖人眼检测颗粒，而非使用摄像系统。此方法最适合快速收集少量数据，或在需要进行实时演示的情况下使用。在第二种选项开发之前，前两次实验均采用了第一种选项。第二种选项（步骤4.2）则采用摄像头实现颗粒的自动检测与捕获，可在无需人工监督的情况下完成数千次测试并将数据自动录入数据库。摄像头的准确性取决于具体的测试条件；某些反光性较强的材料在测试时，其捕获率的准确性相较于人工检测的类似测试有所降低。然而，可通过调整摄像头脚本中的多个参数来提高其检测准确性。摄像头的精确度虽仍有改进空间，但并非关键问题，因为微型装置主要用于初步测试。此外，第二种选项还可轻松改装为通过单个微控制器板同时运行两套测试装置；相关改装细节详见补充文件7。

目前的研究正在通过机器学习开发一种更精确且一致的自动捕获检测方法。这一新的机器学习检测系统在完成后，将采用卷积神经网络以更高准确率（超过95%）更有效地识别被捕获的粒子，从而进一步增强此类微型测试装置在未来光致捕获显示研究中的应用价值与影响。

目前这种微型捕获装置的基础形式存在若干局限性。这些微型装置无法在捕获粒子后通过扫描来生成真正的光阱阵列（OTDs）。该设计也限制了未来添加扫描器件以实现OTD生成的可能性。另一个设计上的局限是进行特定测试时需要额外的组件。例如，在激光功率测试期间，为了在不同光输出功率水平下收集数据集，使用了可变光衰减器。同样，如果研究人员希望在未来测试激光波长，则除了本研究中使用的激光器外，还需要多个具有不同波长但光功率相近的其他激光器。该装置很可能需要额外的改装来固定每种激光器，这一过程将限制此类测试的执行速度，但仍然可行。此外，该设计要求为每个透镜3D打印新的透镜支架，这也构成了限制。该设计及其应用还仅限于球面双凸透镜，这类透镜会产生球面像差，从而形成可用于捕获粒子的区域。

未来应用包括对光泳捕获参数的持续测试与优化。如上文简要提及，通过增加用于y轴和x轴控制的扫描装置，微型捕获装置可轻松改装为一种基本且低成本的光泳检测系统（OTD）。微型捕获装置中采用的电磁铁控制颗粒递送方法，也可应用于未来的先进OTD系统中。

这种微型捕获装置在该研究领域中最终具有独特性和区别性，因为它可以低成本且快速地制造，从而实现大规模快速测试。这些装置旨在成为用于初步测试和优化光泳捕获参数的精简系统。单个装置每小时可进行约250次捕获尝试。已有许多其他类型的光泳捕获系统或装置被开发出来，具备更先进的自动控制系统，或在成功捕获后通过扫描粒子生成图像以实现更多功能1,8。这些微型捕获系统并非旨在取代此类系统。其目的是快速测试光泳捕获的参数和条件，帮助研究人员更深入理解实现高效光泳捕获的关键因素。微型捕获装置将推动光泳捕获研究的普及化，并促进该研究领域迎来新一轮类似爱迪生式的实验探索与技术进步。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者衷心感谢美国国家科学基金会提供的经费支持。NSF 项目编号：1846477。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1/4英寸胶合板NA尺寸需适配激光切割机（通常为1英尺×1英尺）
3D FDM打印机Raise 3DPro 2任何等效设备均可满足要求
3D激光切割打印机Glow ForgeBasic任何等效设备均可满足要求
5V电源交流/直流适配器
铝粉bioWORLD10576平均粒径17–30微米
黑色铝箔胶带LLTP BF255（可在Amazon购买）可根据需要选用其他类型的箔带（黑色箔带）
黑液木材制浆过程中产生的可回收副产品
按钮磁铁Mealos8 × 2 mm
3B类激光器 405 nm（管状激光器）M-16A405-300-G测试时可使用任意光输出功率和波长；若需复现实验，应使用405 nm波长和约120 mW功率
金刚石纳米颗粒 55–75%SkySpring Nanomaterials0512HZ纯度55–75%，平均粒径4–15 nm
金刚石纳米颗粒 95%SkySpring Nanomaterials0510HZ纯度95%，平均粒径3–4 nm
电磁铁Wuxue Wn Fang ElectricWP-P25/20
玻璃切割刀Dyna-cut型号500-1可使用任何标准玻璃切割刀或湿式切割刀
石墨粉AeroMarine Products325目，平均粒径44微米
跳线Elegoo需要公对母线和公对公线
透镜Surplus ShedL8435直径32 mm，焦距80 mm。任何32 mm直径的透镜均可适配当前透镜支架设计
尼格罗辛染液（福尔马林-尼格罗辛）Innovating ScienceIS581830 mL，实际可在Amazon购买到
Open MV相机Open MVM7任何等效的Open MV相机均可使用
Open MV集成开发环境Open MV可选，可从OpenMV免费下载的集成开发环境
光衰减器（可变中性密度滤光片）THORLABSNDC-100C-2
光学导轨THORLABSRLA120012英寸光学导轨
打印机碳粉（CISinks通用碳粉）CISinksTN420、TN450、TN540、TN660、TN720碳粉。可在Amazon购买到
树莓派Raspberry PIPi-4 Model B任何Pi 3或Pi 4，Model B或B+均可满足要求（文中称为微控制器板）
钨粉 12微米Alfa Aesar10401-22平均粒径12微米
钨粉 1–5微米Alfa Aesar10400-22平均粒径1–5微米
USB转Micro USB线缆任何厂商/型号均可满足要求
电压调节器STMicroelectronicsLM317t

参考文献

  1. Smalley, D., et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
  2. Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
  3. Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
  4. Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
  5. Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11(2017).
  6. Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (2018).
  7. Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
  8. Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02(2018).
  9. Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
  10. Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

3D

相关文章