ייצור ובדיקה של אסדות השמנה פוטופורטיות אוטומטיות זעירות

סיכום

עבודה זו מתארת ומאפיינת את הייצור של אסדות לכידה פוטופורטיות אוטומטיות זעירות.

תקציר

מאמר זה מציג אסדת בדיקת מלכודת פוטופורטית אוטומטית, תואמת-fab-fab, המאפשרת דמוקרטיזציה ומיקור המונים של מחקר תצוגה נפחית. ניתן לבנות את האסדה בתוך 2 שעות באמצעות חותך לייזר, מדפסת תלת מימדית (3D) וכלי יד נפוצים. בצורתו הנוכחית, ניתן להשתמש באסדה כדי לבדוק את הפרמטרים הקריטיים הבאים: סוג חלקיקים, סוג מלכודת, צמצם מספרי וזרימת אוויר בקצב של כ -250 דגימות לשעה. עם שינוי מינורי, ניתן לבצע את האסדה כדי לבדוק קבוצה גדולה עוד יותר של פרמטרים, כגון כוח לייזר ואורך גל לייזר, בהתאם לצרכי המשתמש. האסדה יכולה להשתמש בראיית מכונה ללכידה וניתוח אוטומטיים של נתונים. הפעולה והבנייה של אסדת הבדיקה מתוארים בצעדים תמציתיים וקלים למעקב. תוצאות של אסדת בדיקה ארבע יחידות 'חווה' המכסה את פרמטרים סוג כוח וחלקיקים מדווחים. פלטפורמה זו תרחיב את ההיקף וההרכב של פרמטרים וחוקרים של תצוגת מלכודת אופטית באמצעות נגישות ודמוקרטיזציה.

מבוא

תצוגת המלכודת האופטית (OTD) מאפשרת את גיאומטריות התצוגה הנראות במדע בדיוני. הוא פועל על ידי לכידת חלקיק באמצעות פוטופרזיס והארת החלקיק 1,2,3,4. לאחר מכן, גרירת החלקיק דרך החלל יוצרת תמונה באוויר שהצופה תופס כמתמשכת לפי ההתמדה של ^Vision5. טכנולוגיית תלת-ממד נטולת מסך זו מאפשרת לו להציג גיאומטריות כגון הקרנות לטווח ארוך, שולחנות חול גבוהים וצגים עוטפים1. גיאומטריות אלה משכנעות באופן ייחודי מכיוון שהן אינן דורשות מסך ויוצרות תוכן שניתן לראות כמעט מכל זווית אפשרית.

חוקרים מאוניברסיטת בריגהם יאנג מצאו הצלחה ראשונית במערכת הלכידה הפוטוטופורטית מהדור הראשון שלהם באמצעות מרחיב קרן וסורקי גלוונומטר, יחד עם מספר מראות ועדשות כדוריות אחת או יותר כדי ליצור מלכודת פוטופורטית באמצעות סטייה כדורית ^1,4. אסדת השמנה מהדור הראשון הכילה גם לייזרי RGB (אדום-ירוק-כחול) כדי לאפשר תאורת תצוגה צבעונית מדויקת. באמצעות מערכת השמנה זו, OTDs נוצרים על ידי הזזת חלקיק יחיד דרך נתיב מפותל. גישה זו מגבילה את גודל התמונות אל מתחת לסנטימטר מעוקב ומגבילה את המורכבות של תמונות בזמן אמת למסגרות תיל ולתוכן דליל ^אחר6,7. יתר על כן, קנה המידה של טכנולוגיה זו מוגבל על ידי חוסר עקביות של השמנה ^{פוטופורטית8}. אם ניתן למטב מערכת השמנה/חלקיקים אחת, ניתן להשיג שינוי קנה מידה של התצוגה על-ידי שכפול מלכודת ממוטבת ולכידה וסריקה של חלקיקים מרובים באופן סינכרוני9. כל בעיה עם מלכודת אחת תהיה מורכבת במערכת מרובת השמנות, כך אופטימיזציה זהירה של פרמטרי מלכודת וחלקיקים היא קריטית.

האופטימיזציה של מערכת השמנה /השמנה בודדת דורשת בדיקה מקיפה כדי להיעשות עבור כל פרמטר של מערכת השמנה ^{פוטופורטית7}. פרמטרים אלה כוללים סוג חלקיקים (חומר, צורה, גודל), כוח לייזר, אורך גל לייזר, וצמצם מספרי (אורך מוקד, קוטר, הטיה). בדיקה וניסויים באמצעות ניסוי וטעייה עבור כל פרמטר ימטבו השמנות בודדות ומלכודות סינכרוניות מרובות. עם זאת, הם ידרשו איסוף כמויות גדולות של נתונים.

בעבר, תהליך המחקר והבדיקה לאופטימיזציה של לכידה פוטופורטית באמצעות סטייה כדורית נעשה רק על ידי קומץ חוקרים ברחבי העולם 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . עד לאחרונה, חוקרים מאוניברסיטת בריגהם יאנג הסתמכו על מערכת השמנה אחת, גדולה ויקרה כדי לאסוף את הנתונים הדרושים, מה שגרם לתהליך הבדיקה והאיסוף של נתונים להיות איטי ^1,7. עם זאת, מאז הצגת מלכודת אופטית מציגה כפתרון להדמיה תלת-ממדית בשנת ²⁰¹⁸¹, אנשים מכל קבוצות הגיל ומכמה יבשות הביעו רצון להשתתף במחקר. בגלל העניין שנוצר ב- OTDs, החוקרים רצו למצוא דרך לאפשר לכל בעלי העניין להשתתף בתהליך המחקר. דורות קודמים של אסדות לכידה פוטופורטיות, שהכילו מפצלי קורות וגלבנומטרים, היו יקרים מדי וגוזלים זמן רב מדי לתוצרת המונית ולמיקור המונים ^1,6, כך שהיה צורך בפתרון אחר.

פותחה אסדת השמנה פוטופורטית זעירה חדשה, המאפשרת לכל בעלי העניין להשתתף במחקר ולבדוק במהירות ולאסוף נתונים עבור כל הפרמטרים המשמעותיים שהוזכרו לעיל. הם יכולים להיות מפוברקים במהירות על ידי כל מי שיש לו גישה למדפסת 3D וחותך לייזר. עיצוב זה מנסה למזער את העלות והמורכבות, לצמצם סיכונים ולמקסם אוטומציה, קישוריות הדדית וגמישות (איור 1). האסדה החדשה משתמשת במערך האופטי הפשוט ביותר ללכידה פוטופורטית אפשרית: לייזר ועדשה ^אחת10. האסדות הקטנות פשוטות לשימוש לאחר ההתקנה ויכולות להיבדק בקצב של כ -250 ניסיונות לשעה.

הנתונים שנאספו מאסדות אלה מהבדיקות של מדענים וחוקרים אזרחיים עתידיים יסייעו באופן משמעותי לפתח לכידה פוטופורטית בשימוש בהדמיה תלת-ממדית על ידי מתן אפשרות לאופטימיזציה של פרמטרי השמנה ומלכודות בודדות.

פרוטוקול

1.3D הדפסה וחיתוך בלייזר של החומרים הנדרשים

1. הדפס בתלת-ממד את החומרים המפורטים להלן
   1. הדפס את מחזיק העדשה באמצעות מדפסת תלת-ממד FDM (מידול התצהיר המותך) (ראה טבלת חומרים) בהתאם למידע המופיע בקובץ משלים 1. מחזיק עדשה זה מיועד לעדשת 30 מ"מ (קוטר) (איור 2).
      הערה: ניתן להתאים אישית את הקובץ בקלות כך שיתאים לעדשות אחרות.
   2. לאחר מכן, הדפס את פלטפורמת cantilever ואת המחזיק (איור 2) (קובץ משלים 2 וקובץ משלים 3).
      הערה: פעולה זו עשויה להימשך כ- 2-14 שעות, בהתאם לפרטי ההדפסים. הפירוט של ההדפסים לא אמור להשפיע על קצב ההשמנה אם הוצב מספיק חומר ההשמנה (שלב 5.3.4).
2. בעזרת חותך לייזר תלת-ממדי (ראו טבלת חומרים), גזור את חלקי האסדה (איור 3) (קובץ משלים 4.5).
   הערה: חתך זה יכול להיעשות על כל חומר בעובי של רבע אינץ ', אבל עץ הוא החומר המומלץ. קובץ משלים 4 מכיל את חתיכות האסדה הנדרשות שמתאימות על 12 x 12 בחתיכת עץ. קובץ משלים 5 כולל מגן/חוסם אור אופציונלי.
3. באמצעות חותך זכוכית (ראה טבלת חומרים), לחתוך מבחנה סטנדרטית (~ 2.5 ס"מ קוטר) בערך לשניים, כך החצי עם שני קצוות פתוחים הוא ~ 6.5 ס"מ ארוך.

2. הרכבת אסדות העץ

הערה: בעת הרכבת אסדת העץ, הוראות בשלבים 2.1 -2.5 עשויות לומר "שקופית", אך חלקים עשויים לדרוש כוח רב יותר כדי להיות ממוקמים ונבנים כראוי.

1. הניחו את חתיכת הבסיס כלפי מטה כשסמל ה-Y פונה כלפי מעלה (איור 1A).
2. החזק/י את שני החלקים הצדדיים הארוכים משני צדי הבסיס בזמן שמחזיק הלייזר הראשון מחליק פנימה כדי למקם אותו בקצה אחד ואת מחזיק המבחנה הראשון בצד השני (איור 1B,C).
3. בצד, החלק את שני מחזיקי האלקטרומגנט למחזיק המצלמה. ודאו שמחזיקי המגנט מופרדים בכ-1 ס"מ מכל צד (איור 1D).
   1. החלק את מחזיקי המגנט ואת מחזיק המצלמה כיחידה ליד מחזיק המבחנה הראשון, במרווחים. לפיכך, 1 ס"מ בין מחזיק המבחנה למחזיק האלקטרומגנט הראשון (קצה מחזיק המצלמה מעבר למחזיק האלקטרומגנט יכול לשמש כהפניה ל-1 ס"מ) (איור 1E).
      הערה: הן מחזיק המצלמה והן מגן האור אינם נדרשים לשימוש העיקרי במערכת ההשמנה הזעירה, אך שניהם מומלצים לאחידות של הגדרת האסדה.
4. לאחר מכן, מקם את מחזיק המבחנה השני לאחר שני מחזיקי האלקטרומגנט כך שיש רווח של ~ 1 ס"מ בין מחזיק המבחנה השני לבין מחזיק האלקטרומגנט השני.
   הערה: בסך הכל, בין שני מחזיקי המבחנות, יש כ-4 ס"מ של שטח (להרכבה במצלמה רוחב של 4 ס"מ, לעיון מיקום) (איור 1F).
   1. אם אתה משתמש במגן/חוסם האור האופציונלי (קובץ משלים 5), החלק את מגן האור לקצה הנגדי של מחזיקי המבחנה ומחזיקי האלקטרומגנט מבעל המצלמה; זה יעזור למרכז וליישר את המבחנה ואת מחזיקי אלקטרומגנט.
5. החלק את מחזיק הלייזר השני למקומו; אין צורך במרחק מדויק. המרחק המומלץ הוא 3-4 ס"מ, אך ייתכן שיהיה צורך לשנות זאת בהתאם לאורך הלייזר.
6. אם תרצה, ניתן להחליק מסילה אופטית (ראה טבלת חומרים) מתחת לכל המחזיקים כדי ליישר רכיבים אחרים של מערכת ההשמנה. זה יהיה שימושי במיוחד ליישור העדשה עם הלייזר והמבחנה (איור 1G).
7. מקם את האלקטרומגנט (ראו טבלת חומרים) במחזיקי האלקטרומגנט (איור 1H).

3. חיבור המעגל עם לוח המיקרו-בקרים שצוין

1. חבר צג מחשב, לוח מקשים ועכבר ללוח המיקרו-בקר (ראה טבלת חומרים). הפעל את לוח המיקרו-בקרים וודא שמערכת ההפעלה מתפקדת. אין צורך בשינויים בתצורות המיקרו-בקר המקוריות, אם כי ניתן לבחור הן ב- VNC (חיבור רשת וירטואלית) והן ב- SSH (מעטפת מאובטחת) במידת הצורך. זה יאפשר גישה מרחוק למיקרו-בקר.
2. בנו את מעגל השליטה באלקטרומגנט באמצעות וסת מתח (ראו טבלת חומרים), לוח לחם וכמה חוטים (איור 4A).
   הערה: כל מספרי הפינים עבור לוח המיקרו-בקרים הם סיכות ה- GPIO (קלט ופלט לשימוש כללי).
   1. הנח את וסת המתח בלוח הלחם כך שכל סיכה תהיה בשורה אחרת כדי לאפשר שימוש נכון.
   2. תקשר את סיכת הכניסה של וסת המתח לאחד מפיני הכוח של 5V בלוח המיקרו-בקר.
   3. חוט את פין הכוונון של וסת המתח ל- GPIO 23 בלוח המיקרו-בקר.
   4. חבר את חוט הכניסה של האלקטרומגנט לפין היציאה של וסת המתח. לאחר מכן חבר את חוט היציאה של האלקטרומגנט לפין אדמה במיקרו-בקר; זה מושג בצורה הטובה ביותר בעת שימוש בשורה אחרת בלוח הלחם כדי לחבר את השניים באמצעות חוט נוסף.

4. העלאת הקוד להפעלת המערכת

הערה: כדי להעלות את הקוד, יש לבצע את שלב 4.1 או שלב 4.2. שלב 4.1 מספק הוראות עבור הגירסה הפשוטה של הקוד שאינה משתמשת במצלמה. שלב 4.2 מספק הוראות עבור הגירסה המשתמשת במצלמה.

1. בצע את השלבים בהתאם להוראות המופיעות בקובץ משלים 6.
   1. פתח את המסוף ונווט למיקום כדי לאחסן את הקבצים הדרושים. צור ספריה חדשה בלוח המיקרו-בקרים על-ידי הקלדת פקודת המסוף 'mkdir' ואחריה שם הספריה הרצוי. ספריה זו תשמש לאחסון הקבצים להפעלת אסדת המלכודת.
   2. הוסף קובץ משלים 6 לספריה החדשה. עיין בסעיף readme בחלק הראשון של הקובץ לקבלת פרטים. לאחר שינוי מספר הבדיקה לסכום הרצוי, התוכנית מוכנה לפעולה.
      הערה: קובץ זה מכיל משתנה נחוץ אחד הנקרא num_tries הקובע כמה בדיקות לבצע בהפעלה אחת. קובץ זה כולל תמיד כמה הפסקות, אשר ניתן לקצר לבדיקות מהירות יותר.
2. הפעל והצג את SQLite בלוח המיקרו-בקרים לאחר השלבים הבאים. זה דורש קובץ משלים 7-11 ומצלמה ואת המומחיות הרלוונטית.
   1. התקן את ספריות מסדי הנתונים הדרושות על לוח המיקרו-בקרים על-ידי הקלדת הטרמינל 'Sudo apt-get install דפדפן SQLite' ו'סודו apt-get install sqlite3'. זה יאפשר ללוח המיקרו-בקרים לאחסן באופן אוטומטי את כל הנתונים מהבדיקות באמצעות קובץ משלים 9.
   2. שמור קובץ משלים 11, סקריפט המצלמה כפי main.py במצלמה. ניתן לעשות זאת באמצעות סייר קבצים או סביבת הפיתוח המשולבת (IDE) שפותחה עבור המצלמה (ראה טבלת חומרים).
      הערה: IDE מומלץ מכיוון שהוא מאפשר למשתמשים לראות את פלט המצלמה, דבר המסייע בעת הקפדה על כך שהמצלמה מתמקדת כראוי.
   3. חבר את המצלמה ללוח המיקרו-בקרים. השתמש 4 פינים, כולל סיכת הקרקע מהמצלמה. חבר את סיכת הקרקע חייב לקרקע של לוח המיקרו-בקר. הפינים הבאים צריכים להתאים כאמור להלן:
      1. חבר פין מצלמה 8 ל- GPIO 19: סיכה זו שולחת את התוצאות של כל השמנה בחזרה אל pi.
      2. חבר פין מצלמה 9 ל- GPIO 17: סיכה זו מעניקה למצלמה הרשאה להתחיל לחפש.
      3. חבר את סיכת המצלמה 7 ל- GPIO 5: זוהי סיכת מצב המצלמה.
   4. צור ספריה כדי לאחסן את כל הקבצים. לאחר יצירת ספריה זו, שמור את הקבצים כפי שסופקו בקובץ משלים 7-10 בספריה; שנה את שמם לקריאה.txt, main.py, electromagnet.py test_insert.py, בהתאמה.
   5. קרא דרך קובץ משלים 7 (ReadMe.txt).
      הערה: קובץ readme מספק הסבר טוב על הפעולות של כל קובץ והשינויים שעשויים להידרש בכל קובץ, כגון נתיב הספריה של מסד הנתונים.
   6. פתח את מציג מסד הנתונים המותקן בשלב 4.2.1. לחץ על לחצן מסד הנתונים החדש ושמור את מסד הנתונים באותה ספריה כמו הקבצים האחרים. מסד הנתונים החדש חייב להתאים לשם קובץ מסד הנתונים שנמצא test_insert.py.
   7. בתוך מסד הנתונים, צור טבלה בתוך מסד הנתונים החדש כדי לשמור את הנתונים. מסד הנתונים כולל 5 שדות, parameter_type, לכודים, שם בדיקה, testnum ו- rigID.
      הערה: מקטעי הטבלה חייבים להיות מדויקים כפי שצוין או שיהיה צורך לבצע שינויים נוספים Main.py test_insert.py.

5. הכנות למבחן

1. הכן את העדשה על ידי הצבת העדשה בתוך מחזיק העדשה. ודא שהעדשה נשארת בתוך המחזיק במהלך הבדיקה. ייתכן שיהיה צורך בדבק חם כאן.
   הערה: האסדה דורשת שימוש דו-קמור כדורי כדי להבטיח היווצרות נכונה של אזורי השמנה.
2. לאחר הכנת העדשה (שלב 5.1), הנח את מחזיק העדשה על המסילה האופטית ואת הלייזר (ראה טבלת חומרים) במחזיק הלייזר.
   הערה: הלייזר המוצע ברשימת החומרים אינו דורש כיול לפני השימוש. יש להרכיב משקפי בטיחות בכל עת שהלייזר נמצא בשימוש.
   1. באמצעות העדשה והלייזר או מקור אור אחר, מצאו את נקודת המוקד של הלייזר והחליקו את מחזיק העדשה לאורך המסילה האופטית עד שנקודת המוקד תהיה מרוכזת מעל האלקטרומגנט.
      הערה: שלב זה הוא קריטי להשמנה; אם נקודת המוקד אינה מרוכזת מעל האלקטרומגנט, פלטפורמת cantilever לא תעלה חלקיקים למוקד.
   2. סמן נקודה זו עם עיפרון על בסיס העץ לעיון עתידי.
      הערה: כל עדשה כבר מגיעה עם מדידת אורך מוקד, אך מדידות אלה אינן תמיד נכונות.
3. הכנת ציטוט ההשמנה
   1. ודא שהלייזר כבוי כראוי שוב.
   2. באמצעות אקדח דבק חם, הדבק מגנט כפתורים קטן (ראה טבלת חומרים) של אותה קוטביות כמו האלקטרומגנט על פני השטח השטוחים של הפלטפורמה, כך האלקטרומגנט ידחה את הפלטפורמה.
      הערה: הקוטביות של המגנטים חייבת להיות מותאמת כראוי, כך הפלטפורמה תידחה על ידי אלקטרומגנט, דוחף את החלקיקים לתוך קרן הלייזר, כך לכידה יכולה להתרחש.
   3. קחו את הפלטפורמה המודפסת בתלת-ממד, דמוית קנקן, וצפו את הפלטפורמה בנייר אלומיניום שחור, המגן על הפלטפורמה מפני המסה.
      הערה: ניתן להשתמש בנייר כסף רגיל, אך הוא גורם ליותר מדי בוהק לשימוש במערכת המצלמה. נסו להשתמש בנייר כסף שחור (ראו טבלת חומרים), שפועלת מצוין עם המצלמה (איור 5A). רדיד מומלץ כי זה יכול להיות מוחלף בקלות לבדיקת חומרים אחרים, אבל מוצרים דומים ניתן להשתמש אם תרצה.
   4. לאחר כיסוי הפלטפורמה בנייר אלומיניום, הניחו את סוג החלקיקים הנבחר שנבחר על ידי המשתמש לבדיקה בצד המשופע של הפלטפורמה (ראו טבלת חומרים לאפשרויות סוג חלקיקים או ראו איור 6A).
   5. הכנס בעדינות את זרועות המכל למחזיק המעגלי כך שצד המגנט פונה כלפי חוץ. לאחר מכן הכנס בעדינות את המבחנה לאותו מחזיק. אם זה נעשה נכון, המגנט כמעט ייגע בכוס (איור 5B).
   6. הנח את המבחנה על מחזיקי המבחנה כך שהפלטפורמה תהיה מרוכזת מעל האלקטרומגנט. אם המגנט היה מחובר כראוי לפלטפורמת cantilever, cantilever צריך להיראות במצב כלפי מעלה נדחה על ידי electromagnet.
4. מקם את המצלמה במחזיק המצלמה כדי ללכוד את כל המלכודות המתרחשות מעל / סביב הפלטפורמה. לאחר מכן בדקו שוב את כל המיצובים האחרים (איור 1I-J).

6. תחילת הבחינה

הערה: לבדיקה, יש לבצע את שלב 6.1 או שלב 6.2.

1. אם אתה משתמש בהוראות משלב 4.1, לחץ על התחל בקובץ או הפעל את הקובץ כרגיל מהמסוף.
2. אם אתה משתמש בהוראות משלב 4.2, התחל בדיקה זו מהמסוף עם הפרמטרים כאמור להלן.
   1. באמצעות פקודות מסוף, הפעל את מערכת הקבצים פעם אחת בתוך הספריה המתאימה עם הפקודה "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". main.py הקבצים מסופק בקובץ משלים 8.
   2. החלף את test_num במספר הבדיקות הרצוי. החלף את Parameter_type בסוג הפרמטר שבו מתמקדת הבדיקה.
      הערה: לדוגמה, אם נעשו בדיקות כדי לקבוע מהו לייזר המופעל בצורה הטובה ביותר, Parameter_type יוחלפו על ידי laser_power, ואת exact_parameter יוחלף על ידי כוח היציאה האופטי של הלייזר הנוכחי.

תוצאות

התוצאה העיקרית שהושגה על ידי ביצוע הפרוטוקול לעיל היא יצירת אסדת השמנה פוטופורטית זעירה, אשר יכול לבדוק במהירות פרמטרים שונים. עד כה, אסדות אלה שימשו לבדיקת שני פרמטרים קריטיים, כוח לייזר, וסוג חלקיקים. הריצה המקבילה של אסדות מיניאטוריות מרובות אפשרה לחוקרים לאסוף נתונים בגדלי מדגם גדולים בהרבה בפרק זמן מהיר בהרבה.

הבדיקה הראשונה, שנערכה בעת פיתוח הפרוטוקול לעיל, הייתה בדיקת כוח לייזר. במהלך בדיקה זו נעשה שימוש באסדה זעירה אחת, ללא מערכת זיהוי המצלמה, שכן היא טרם פותחה; במקום זאת, נעשה שימוש בשלב 4.1 מהפרוטוקול. הדבר דרש מחוקר להיות נוכח באיסוף הנתונים של כל זיהויי המלכודות. מטרת בדיקה זו הייתה לקבוע את תפוקת כוח הלייזר האידיאלית ללכידה להתרחש. על ידי הנחתת מנחת אופטי (מסנן צפיפות נייטרלי משתנה) בין הלייזר לעדשה על האסדה, הכוח האופטי של הלייזר היה varried. איור 7 מראה את תוצאות הניסוי. תפוקת הספק אופטית גבוהה תואמת לשיעור השמנה גבוה יותר. הלייזר במלוא העוצמה היה בעל קצב ההשמנה הגבוה ביותר שנרשם עבור בדיקה זו. עם זאת, בדיקה זו הוגבלה ללייזר אחד עם הספק אופטי מרבי של ~ 120 mW.

הבדיקה השנייה הייתה לקבוע איזה חומר או חומר יהיה השיעור הגבוה ביותר של השמנה. בדיקה זו נערכה באמצעות אסדת בדיקה מיניאטורית יחידה ללא מערכת זיהוי המצלמה. עשרה חלקיקים שונים נבדקו עם גודל מדגם של 100 ניסיונות עבור כל חלקיק (כל החומרים שנבדקו ניתן למצוא בטבלת החומרים עם התיאורים שלהם). גודל המדגם הוגבל ל-100 בגלל הצורך שחוקר יצפה בכל ניסיון לאיסוף נתונים. כל הנתונים הדרושים נאספו בשני ימי עבודה. איור 6A מציג את תוצאות בדיקת סוג החלקיקים. מתוך 10 סוגי החומרים/חלקיקים שנבדקו, נמצא כי חלקיקי יהלומים (55-75%) וטונר מדפסת היו שני סוגי החלקיקים הטובים ביותר עם שיעורים של 14% ו -10%, בהתאמה (טבלה 1).

לאחר שתי הבדיקות הראשונות, החוקרים הרגישו מוגבלים לאסדה ייחודית שדרשה צפייה פעילה במהלך הבדיקות; זה הוביל לשלב 4.2 המתואר בפרוטוקול. אפשרות זו כוללת מערכת לזיהוי מצלמה, המאפשרת למשתמשים להפעיל מספר אסדות בדיקה זעירות בכל פעם ואינה דורשת נוכחות של משתמש לבדיקה.

לבדיקת מערכת מצלמה חדשה זו, נערכה בדיקה מחודשת שונה של בדיקת סוג החלקיקים. רק כמה סוגי חלקיקים שונים נבחרו מתוך 10 המשמשים בתחילה לבדיקה מחדש עבור מבחן סוג חלקיקים חדש זה. החלקיקים שנבחרו עברו סבב חדש של בדיקות. באמצעות "חווה" של אסדת בדיקה של ארבע אסדות בדיקה מיניאטוריות, לכל אחד מהחלקיקים שנבחרו היה גודל מדגם בדיקה כולל של 4,000 ניסיונות. שוב, כל הנתונים הדרושים נאספו בשני ימי עבודה מלאים (טבלה 2). המטרה העיקרית של בדיקה חוזרת מסוג חלקיקים זה הייתה לבדוק את מערכת המצלמות החדשה. בדיקה זו אפשרה להשוות תוצאות מבדיקת סוג החלקיקים הראשונית, כאשר חוקר דיווח על המלכודות, לתוצאות ממערכת זיהוי המצלמה. תוצאות הבדיקה היו מעט שונות מהבדיקות המקוריות אך עדיין דומות (איור 6B). סוג החלקיקים הטוב ביותר מהבדיקה הראשונית, חלקיקי יהלום 55-75%, היה עדיין הטוב ביותר בבדיקה מחדש, אך היה לו שיעור השמנה מעט נמוך יותר מבעבר. ההבדל בתוצאות נובע ככל הנראה מגודל מדגם גדול יותר וממערכת זיהוי מצלמה לא מושלמת. למרות שהתוצאות של בדיקת חלקיקים זו היו מעט שונות מהצפוי, בעת בדיקת פרמטרים אחרים שבהם החומר נשאר קבוע, כגון כוח לייזר או אורך מוקד עדשה, התוצאות שנאספו על ידי סקריפט המצלמה יהיו אמינות.

התוצאות של כל שלוש הבדיקות שנערכו הן ביחס לאסדות שבוצעו בהן, אך המגמות שנמצאו בנתונים יתבררו כנכונות כאשר ייבחנו על אסדות בדיקה פוטופורטיות מדויקות יותר. אסדות הבדיקה הזעירות לא נועדו להחליף אסדות בדיקה אחרות לחלוטין. ובכל זאת, הם נועדו לאפשר לחוקרים לחקור את כל הפרמטרים והאפשרויות במהירות וביעילות בבדיקות אדיסון (ניסוי וטעייה) כדי למצוא מגמות ותגליות למחקר נוסף על אסדות מדויקות יותר.

איור 1: התקדמות באסדה עם אסדת הבדיקה הפוטו-פורטית הזעירה שהושלמה. האיור תואם את שלב 2 ואת שלבי המשנה שלו. (א) מציג את שלב 2.1. (ב) מדגים את שלב 2.2, הבסיס עם שני הצדדים הארוכים. (ג) מציג את שלב 2.2, מסגרת האסדה, בסיס עם שני הצדדים, ומחזיק הלייזר הראשון ומחזיק המבחנה. (ד) שלב 2.3 מציג את מחזיק המצלמה בשילוב עם שני מחזיקי האלקטרומגנט. (ה) שלב 2.3.1 מציע את השילוב של איורים 1C,D. (F) שלב 2.4, מחזיק המבחנה השני ומחזיק הלייזר השני נוספו. (ז) נוספו מגן האור והרכבת האופטית האופציונליים. (ח) האלקטרומגנט ממוקם במחזיק שלה. (I) הלייזר והמבחנה הונחו במחזיקים שלהם. (J) זה מראה את כל tig הבדיקה הושלמה ללא מקור הכוח עבור לוח המיקרו-בקר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: חלקים מודפסים בתלת-ממד. בנתון זה נכללים מחזיק העדשה, מחזיק הפלטפורמה המעגלית ופלטפורמת cantilever. העיצוב של מחזיק העדשה המודפס בתלת-ממד ניתן למצוא בקובץ משלים 1. מחזיק עדשה זה, כאשר מודפס, הוא עבור עדשה של 30 מ"מ קוטר. קובץ משלים 2-3 מכיל את העיצובים עבור בעל הפלטפורמה והפלטפורמה. למחזיק הפלטפורמה יש ארבעה סטים שהפלטפורמה יכולה להשתמש בהם, אך כדי שהאסדה תעבוד כמתוכנן, הפלטפורמה צריכה להשתמש בחורים המצוינים באיור. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: חתיכות חתוכות בלייזר מסומנות. איור זה מתייג את החלקים של קובץ משלים 4, המכיל את הקובץ עבור כל החלקים החתוכים בלייזר למעט מגן האור האופציונלי. לאחר ההדפסה, צריך להיות בסיס אחד, 2 צדדים, 2 מחזיקי לייזר, 2 מחזיקי מבחנה, 2 מחזיקי אלקטרומגנט, ו 2 מחזיקי מצלמה (רק אחד נחוץ). את מגן האור האופציונלי ניתן למצוא בקובץ משלים 5. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: וסת מתח ומעגל אלקטרומגנט. (A) לעיון בעת בניית המעגל. לווסת המתח יש 3 פינים, התאמה, קלט ופלט. (ב) איור זה מציג את המעגל שהושלם המתואר בשלב 3. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: ההכנות לפלטפורמה ומלכודות מבחנה מצטטות. (א) לפני שניתן יהיה לבצע את הבדיקות, יש להכין את הפלטפורמה. מאגר החלקיקים שבו הלייזר יזרח כדי לקלוט חלקיקים יונח על האסדה מיד לפני הבדיקה. רדיד אלומיניום שחור צריך להיות ממוקם על הפלטפורמה לפני החלקיקים. זה מונע מהלייזר להינמס דרך הפלטפורמה. (ב) במהלך הבדיקה, הלכידה בפועל של חלקיקים מתרחשת בתוך המבחנה, ומבטיחה תנועה אוטומטית עקבית של הפלטפורמה עבור כל ניסיון מלכודת. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: בדיקת סוג חלקיקים (ידנית) ו(מצלמה). (A) נערכה בדיקה של 10 חלקיקים שונים כדי למצוא את החלקיק עם קצב ההשמנה הטוב ביותר. (ב) בדיקה שנייה מסוג חלקיקים נערכה עם מערכת זיהוי מצלמה. רק 4 מתוך 10 החלקיקים המקוריים נבדקו. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: תוצאות בדיקת כוח לייזר. קצב ההשמנה לרמות כוח לייזר שונות נמדד במהלך בדיקת כוח הלייזר. הכוחות הגבוהים יותר יצרו שיעורים גבוהים יותר של לכידה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ליקר שחור (אבקה)	ליקר שחור (משחה)	טונגסטן (12 מיקרון)	טונגסטן (1-5 מיקרון)	אבקת אלומיניום	טונר מדפסת	גרפיט	חלקיקי יהלומים (95%)		חלקיקי יהלומים (55-75%)		כושין
1	2	2	1	0	3	2	1		5		2
1	3	2	0	1	2	1	2		3		1
2	1	1	1	0	3	1	1		3		1
2	1	0	2	0	2	0	1		3		0
6	7	5	4	1	10	4	5		14		4
6.00%	7.00%	5.00%	4.00%	1.00%	10.00%	4.00%	5.00%		14.00%		4.00%

טבלה 1: תוצאות בדיקת סוג החלקיקים בעלת קצב ההשמנה הטוב ביותר. גודל המדגם הכולל של 100 ניסיונות בוצע ב 4 סטים של 25 עבור כל חומר.

ממרח ליקר שחור	חלקיקי יהלומים 55-75%	גרפיט	טונגסטן (12 מיקרון)
2.10%	11.70%	10.60%	6.40%

טבלה 2: תוצאות בדיקת סוג החלקיקים שנערכה עם מערכת זיהוי מצלמה. נתונים שנאספו ממסד הנתונים של SQLite. הנתונים נאספו בתחילה ב 4 סטים של 1000 עבור גודל מדגם של 4000 לכל חומר. רשומות בודדות עבור כל ערכה לא הידור מ- SQLite; רק האחוזים הכוללים עברו הידור.

קובץ משלים 1: File_1-עדשה Holder.stl. קובץ זה מכיל את קובץ ההדפסה בתלת-ממד של מחזיק העדשה (ראו איור 2). נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: File_2-Platform.stl. קובץ זה מכיל את קובץ ההדפסה התלת-ממדית של פלטפורמת cantilever (ראו איור 2). נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3: File_3-פלטפורמה Holder.stl. קובץ זה מכיל את קובץ ההדפסה התלת-ממדית של בעל הפלטפורמה (ראו איור 2). נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 4: File_4-Rig Pieces.odg. הוא מכיל את קובץ חיתוך הלייזר של חלקי האסדה (ראו איור 1 ואיור 3). נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 5: מגן File_5-אור.odg. זה מכיל את קובץ חיתוך הלייזר עבור מגן האור האופציונלי / חוסם. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 6: File_6-Opt1.system.py. פעולה זו מכילה את הקוד כולו לשימוש בהוראה משלב 4.1. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 7: File_7-Opt2.Read me.txt. זה מכיל את קובץ readme עם כמה פרטים עבור קבצים משלימים 8-11. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 8: File_8-Opt2.main.py. קובץ זה מכיל את קובץ ה- Script הראשי עבור ההוראות שנמצאו בשלב 4.2. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. קובץ זה מכיל את קובץ ה- Script עבור שלב 4.2 השולט באלקטרומגנט. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 10: File_10-Opt2.test_insert.py. קובץ זה מכיל את קובץ ה- Script עבור שלב 4.2 המעלה נתונים באופן אוטומטי למסד הנתונים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. קובץ זה מכיל את קובץ ה- Script שיש להעלות למצלמה במהלך שלב 4.2.2. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

דיון

הפרוטוקול הנוכחי מכיל מספר שלבים חיוניים החיוניים להפעלה האוטומטית של אסדת ההשמנה. ראשית, האלקטרומגנט חייב להיות מחובר כראוי ללוח המיקרו-בקר דרך המעגל שצוין. ללא האלקטרומגנט, התועלת הכוללת של אסדת הבדיקה הזעירה הולכת לאיבוד. האלקטרומגנט שולט בכל ניסיון לכידה על ידי העלאת מאגר החלקיקים על פלטפורמת הקניבל עד לנתיב הלייזר. כל ניסיון מלכודת הוא מחזור נוסף של העלאה והורדה של הפלטפורמה.

המצלמה משמשת רק בשלב 4.2 כמתואר בפרוטוקול, אך היא קריטית לאפשרות זו. שלב 4.2 דורש מצלמה כדי לזהות אם חלקיק נלכד, ומאפשר איסוף נתונים מ אסדות מרובות. אם המצלמה אינה מחוברת כראוי, האסדה לא תוכל לנסות כל השמנה.

השלב השלישי והביקורתי ביותר, שלב 5.2.1, הוא יישור ומיקוד הלייזר. יש למקם את העדשה כך שנקודת המוקד תתרחש מעל האלקטרומגנט. הפלטפורמה המנומרת תעבור דרך נקודת המוקד מעל האלקטרומגנט, ותאפשר לחלקיקים ללכוד. נניח שנקודת המוקד אינה ממורכזת מעל אמצע האלקטרומגנט. במקרה זה, זה הופך להיות מאתגר כדי להבטיח כי פלטפורמת cantilever נושאת חלקיקים יעבור דרך המוקד כדי ליצור מלכודות. זה יכול להוביל למחסור במלכודות. זה גם חיוני כי הפלטפורמה היא מוגבהת מעל electromagnet, כך נתיב הלייזר אינו כל הזמן יצירת קשר עם הפלטפורמה. הדבר עלול לגרום למצלמה לדווח על תוצאות חיוביות שגויות. כדי להתאים ביתר קלות את מיקום המוקד, מומלץ להשתמש במסילה אופטית בהתקנת האסדה; זה יאפשר למשתמשים להחליק בקלות את מחזיק העדשה אחורה או קדימה כדי למקם את נקודת המוקד כראוי. הלייזר והמבחנה / חלק cantilever כבר מיושרים אם האסדה נבנתה כראוי; השימוש במסילה האופטית ישמור על העדשה מיושרת עם החלקים האחרים.

שתי אפשרויות נפרדות מפורטות בפרוטוקול, שלב 4.1 ושלב 4.2. האפשרות הראשונה, שלב 4.1, היא הדרך הפשוטה המקורית להפעיל את אסדת ההקשה הזעירה. אפשרות זו מסתמכת על העין האנושית כדי לזהות חלקיקים במקום מערכת מצלמה. אפשרות זו מומלצת לאיסוף ערכות נתונים קטנות יותר במהירות או במצבים שבהם רצויה הדגמה חיה. האפשרות הראשונה שימשה במהלך שני הניסויים הראשונים לפני יצירת האפשרות השנייה. האפשרות השנייה, שלב 4.2, משתמשת במצלמה לגילוי אוטומטי וללכידה, ומאפשרת לבצע אלפי בדיקות ולהוזן למסד נתונים ללא כל פיקוח אנושי. הדיוק של המצלמה תלוי במצב הבדיקה המדויק; חומרים רפלקטיביים מסוימים יותר, כאשר נבדקו, נראה שיש שיעור השמנה פחות מדויק בהשוואה לבדיקות דומות שנעשו עם זיהוי אנושי. עם זאת, ניתן לשנות מספר פרמטרים בקובץ ה- Script של המצלמה כדי להגביר את דיוק המצלמה. הדיוק המדויק של המצלמה הוא משהו שניתן לשפר, אבל זה גם לא דאגה משמעותית כי האסדות הזעירות נועדו לבדיקה ראשונית. האפשרות השנייה יכולה גם להשתנות בקלות כדי להפעיל שתי אסדות בדיקה מלוח מיקרו-בקר יחיד; פרטים עבור שינוי זה כלולים בקובץ משלים 7.

העבודה הנוכחית מפתחת צורה מדויקת ועקבית יותר של זיהוי מלכודות אוטומטי באמצעות למידת מכונה. מערכת חדשה זו לזיהוי למידת מכונה, כאשר תסיים, תשתמש ברשתות עצביות מפותלות כדי לזהות טוב יותר חלקיקים לכודים עם שיעור דיוק גבוה בהרבה (מעל 95%), מה שמחזק עוד יותר את השימוש וההשפעה של אסדות בדיקה מיניאטוריות כאלה יכולות להיות על עתיד מחקר תצוגת מלכודת פוטופורטית.

בצורת הבסיס הנוכחית שלה, אסדת ההשמנה הזעירה מוגבלת בכמה דרכים. אסדות מיניאטוריות אלה אינן מסוגלות ליצור OTDs בפועל על ידי סריקת החלקיק לאחר מלכודת התרחשה. העיצוב גם מגביל את האפשרות להוסיף סורקים לשימוש עתידי ביצירת OTDs. מגבלה נוספת של העיצוב היא הצורך ברכיבים נוספים לבדיקה ספציפית שתתרחש. לדוגמה, מנחת אופטי משתנה שימש לאיסוף ערכות הנתונים ברמות כוח פלט אופטיות שונות במהלך בדיקת כוח הלייזר. באופן דומה, אם חוקר רצה לבדוק אורך גל לייזר במבחן עתידי, הם ידרשו כמה לייזרים אחרים של כוח אופטי דומה עם אורכי גל שונים בנוסף לייזר המשמש בעבודה זו. האסדה ככל הנראה תדרוש שינויים נוספים כדי להחזיק כל לייזר, תהליך זה יגביל את המהירות שבה ניתן לבצע בדיקה כזו, אך זה עדיין יהיה אפשרי. עיצוב זה נקבע גם על ידי הצורך להדפיס בתלת-ממד מחזיק עדשה חדש עבור כל עדשה. העיצוב והיישום מוגבלים גם לעדשות biconvex כדוריות, המייצרות סטייה כדורית כדי ליצור אזורים שבהם השמנה יכולה להתרחש.

במבט קדימה, יישומים עתידיים כוללים בדיקה ואופטימיזציה מתמשכות של פרמטרי השמנה פוטופורטית. כפי שהוזכר בקצרה לעיל, ניתן בקלות לשנות את אסדת ההשמנה הזעירה למערכת OTD זולה בסיסית על ידי הוספת סורקים עבור ציר ה- y ובקרת ציר ה- x. אספקת החלקיקים הנשלטת על ידי אלקטרומגנט המשמשת באסדת הלכידה הזעירה יכולה להיות מיושמת גם במערכות OTD מתקדמות עתידיות.

אסדת הלכידה הזעירה היא בסופו של דבר ייחודית ומובחנת בתחום זה של מחקר מכיוון שניתן לפברק אותה בזול ובמהירות, ומאפשרת בדיקות המוניות מהירות. אסדות אלה אמורות להיות מערכות רזה המיועדות לבדיקה ראשונית ואופטימיזציה של פרמטרי השמנה פוטופורטית. אסדה בודדת יכולה לבדוק בקצב של ~ 250 ניסיונות לשעה. סוגים רבים אחרים של מערכות השמנה פוטופורטיות או אסדות פותחו כדי לקבל מערכות אוטומטיות טובות יותר או להשיג יותר על ידי סריקת החלקיק כדי ליצור תמונה לאחר מלכודת מוצלחת ^1,8. מערכות השמנה זעירות אלה אינן מיועדות להחליף את השימוש במערכות כאלה. הם נועדו לבדוק במהירות פרמטרים ותנאים של השמנה פוטופורטית כדי לתת לחוקרים הבנה טובה יותר של מה שעושה עבור השמנה פוטופורטית טובה. אסדת הלכידה הזעירה תהפוך את מחקר המלכודות הפוטופורטיות לדמוקרטי ויאפשר גל חדש של ניסויים והתקדמות אדיסוניים בתחום זה של מחקר.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
1/4 אינץ' דיקט	NA		בגודל שיתאים לחותך לייזר (בדרך כלל 1 x 1 רגל)
מדפסת תלת מימד FDM	להעלות 3D	Pro 2	כל ציוד שווה ערך יספיק
מדפסת חותך לייזר תלת מימד	זוהר זיוף	בסיסי	כל ציוד שווה ערך יספיק
כוח			מתאם AC/DC
אבקת אלומינום	bioWORLD	10576	APS 17-30 מיקרון
	רדיד אלומיניום שחור	LLTP BF255 (באמזון)	ניתן להשתמש במקום זאת בסוגים אחרים של נייר כסף (נייר כסף שחור) במידת הצורך
ליקר			, תוצר לוואי ממוחזר שנוצר במהלך עיסת העץ
מגנט כפתור	Mealos		8 x 2 מ"מ
לייזר Class 3B 405 ננומטר (לייזר צינור)		M-16A405-300-G	ניתן להשתמש בכל הספק פלט אופטי ואורך גל לבדיקה. לשחזור עבודה זו יש להשתמש בננו-חלקיקי יהלום 405 ננומטר ו~120 mW
55-75%	SkySpring ננו-חומרים	0512HZ	55-75% טוהר, APS 4-15 ננומטר
ננו-חלקיקי יהלום 95%	SkySpring ננו-חומרים	0510HZ	95% טוהר, APS 3-4 ננומטר
אלקטרומגנט	Wuxue Wn Fang חשמלי	WP-P25/20
חותך זכוכית	Dyna-cut	דגם 500-1	ניתן להשתמש בכל חותך זכוכית סטנדרטי או חותך רטוב
אבקת גרפיט	מוצרי		325 רשת, APS 44 מיקרון
חוטי מגשר	חוטי Elegoo		זכר לנקבה וחוטי זכר לזכר יש צורך בעודפי
עדשה		L8435	32 מ"מ דיימטר, אורך מוקד 80 מ"מ. כל עדשת 32 מ"מ תתאים לעיצוב מחזיק העדשה הנוכחי
ניגרוזין (פורמלין-ניגרוזין)	מדע חדשני	IS5818	30 מ"ל, נמצא למעשה באמזון
מצלמת MV פתוחה	פתוחה MV	M7	כל מצלמת MV פתוחה מקבילה צריכה לעבוד
Open MV IDE	Open MV		אופציונלי להורדה בחינם סביבת פיתוח משולבת ממנחת אופטי OpenMV
(צפיפות ניטרלית משתנה מסננים)	THORLABS	NDC-100C-2
מסילה אופטית	THORLABS	RLA1200	טונר למדפסת מסילה אופטית 12 אינץ'
(CISinks טונר אוניברסלי)	CISinks		TN420, TN450, TN540, TN660, TN720 אבקת טונר. נמצא באמזון
Raspberry Pi	Raspberry PI	Pi-4 דגם B	כל Pi 3 או 4, דגם B או B+ אמור להספיק (מוזכר בטקסט כלוח מיקרו-בקר)
אבקת טונגסטן 12 מיקרון	אלפא Aesar	10401-22	APS 12 מיקרון
אבקת טונגסטן 1-5 מיקרון	אלפא Aesar	10400-22	APS 1-5 מיקרון
כבל USB למיקרו USB			כל חברה/דגם יספיק
מייצב מתח	STMicroelectronics	LM317t