Questo lavoro descrive e caratterizza la fabbricazione di impianti di intrappolamento fotoforetico automatico in miniatura.
Questo documento presenta un banco di prova di trappola fotoforetica automatizzato, compatibile con la produzione rapida per consentire la democratizzazione e il crowdsourcing della ricerca volumetrica sui display. Il carro può essere costruito entro 2 ore utilizzando una taglierina laser, una stampante tridimensionale (3D) e strumenti manuali comuni. Nella sua forma attuale, il carro può essere utilizzato per testare i seguenti parametri critici: tipo di particella, tipo di trappola, apertura numerica e flusso d’aria ad una velocità di circa 250 campioni all’ora. Con piccole modifiche, il rig può essere fatto per testare un insieme ancora più ampio di parametri, come la potenza del laser e la lunghezza d’onda del laser, a seconda delle esigenze dell’utente. Il carro può utilizzare la visione artificiale per l’acquisizione e l’analisi automatizzata dei dati. Il funzionamento e la costruzione del banco di prova sono descritti con passaggi concisi e facili da seguire. Vengono riportati i risultati di una “fattoria” di quattro unità di prova che copre i parametri di potenza e di tipo particellare. Questa piattaforma amplierà la portata e la composizione dei parametri di visualizzazione delle trappole ottiche e dei ricercatori attraverso l’accessibilità e la democratizzazione.
Il display ottico a trappola (OTD) rende possibili le geometrie di visualizzazione viste nella fantascienza. Funziona intrappolando una particella attraverso la fotoferesi e illuminando la particella1,2,3,4. Quindi, trascinando quella particella attraverso lo spazio si forma un’immagine nell’aria che lo spettatore percepisce come continua per la persistenza della visione5. Questa tecnologia 3D senza schermo consente di visualizzare geometrie come proiezioni a lungo raggio, tavoli di sabbia alti e display avvolgenti1. Queste geometrie sono straordinariamente convincenti perché non richiedono schermo e creano contenuti che possono essere visti praticamente da ogni angolazione.
I ricercatori della Brigham Young University hanno riscontrato un successo iniziale nel loro sistema di intrappolamento fotoforetico di prima generazione utilizzando un espansore a fascio e scanner galvanometrici, insieme a diversi specchi e una o più lenti sferiche per creare una trappola fotoforetica attraverso l’aberrazione sferica1,4. Questo impianto di trapping di prima generazione conteneva anche laser RGB (rosso-verde-blu) per consentire un’illuminazione precisa del display a colori. Utilizzando questo sistema di intrappolamento, gli OTD vengono creati spostando una singola particella attraverso un percorso contorto. Questo approccio limita le dimensioni delle immagini a meno di un centimetro cubo e limita la complessità delle immagini in tempo reale ai wireframe e ad altri contenuti sparsi6,7. Inoltre, il ridimensionamento di questa tecnologia è limitato dall’incoerenza dell’intrappolamento fotoforetico8. Se è possibile ottimizzare un singolo sistema trappola/particella, è possibile ottenere il ridimensionamento del display replicando una trappola ottimizzata e intrappolando e scansionando in modo sincrono più particelle9. Eventuali problemi con una singola trappola saranno aggravati in un sistema multi-trap, quindi un’attenta ottimizzazione dei parametri di trappole e particelle è fondamentale.
L’ottimizzazione di un singolo sistema di trappola/trapping richiede test approfonditi per ogni parametro del sistema di trapping fotoforetico7. Tali parametri includono il tipo di particella (sostanza, forma, dimensione), la potenza del laser, la lunghezza d’onda del laser e l’apertura numerica (lunghezza focale, diametro, inclinazione). Il test e la sperimentazione attraverso tentativi ed errori per ciascun parametro ottimizzeranno le singole trappole e le trappole sincrone multiple. Tuttavia, richiederanno la raccolta di grandi quantità di dati.
In passato, il processo di ricerca e test per ottimizzare l’intrappolamento fotoforetico attraverso l’aberrazione sferica è stato fatto solo da una manciata di ricercatori in tutto il mondo1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Fino a poco tempo fa, i ricercatori della Brigham Young University si affidavano a un unico, grande e costoso sistema di cattura per raccogliere i dati necessari, il che ha causato la lentezza del processo di test e raccolta dei dati1,7. Tuttavia, da quando nel 20181 sono stati introdotti i display ottici a trappola come soluzione per la visualizzazione 3D, individui di tutte le età e provenienti da diversi continenti hanno espresso il desiderio di partecipare alla ricerca. A causa dell’interesse generato per gli OTD, i ricercatori hanno voluto trovare un modo per consentire a tutte le parti interessate di partecipare al processo di ricerca. Le precedenti generazioni di impianti di intrappolamento fotoforetico, che contenevano spaccalegna e galvanometri, erano troppo costose e dispendiose in termini di tempo per la produzione di massa e il crowdsourcing1,6, quindi era necessaria una soluzione diversa.
È stato sviluppato un nuovo impianto di cattura fotoforetica in miniatura, che consente a tutte le parti interessate di partecipare alla ricerca e di testare e raccogliere rapidamente i dati per tutti i parametri significativi sopra menzionati. Possono essere fabbricati rapidamente da chiunque abbia accesso a una stampante 3D e a un taglierino laser. Questa progettazione tenta di ridurre al minimo i costi e la complessità, mitigare i rischi e massimizzare l’automazione, l’interconnettività e la flessibilità (Figura 1). Il nuovo carro utilizza la configurazione ottica più semplice possibile per l’intrappolamento fotoforetico: un singolo laser e una lente10. I piccoli carri sono semplici da usare una volta configurati e possono essere testati a una velocità di circa 250 tentativi all’ora.
I dati raccolti da questi carri dai test di futuri cittadini scienziati e ricercatori aiuteranno in modo significativo a sviluppare la cattura fotoforetica nel suo utilizzo per la visualizzazione 3D consentendo l’ottimizzazione dei parametri di cattura e delle singole trappole.
Il presente protocollo contiene diversi passaggi essenziali che sono fondamentali per l’esecuzione automatica del rig di trapping. In primo luogo, l’elettromagnete deve essere opportunamente collegato alla scheda del microcontrollore attraverso il circuito specificato. Senza l’elettromagnete, l’utilità totale del banco di prova in miniatura viene persa. L’elettromagnete controlla ogni tentativo di intrappolamento sollevando il serbatoio di particelle sulla piattaforma a sbalzo fino al percorso del laser. Ogni tentativo di trappola è un altro ciclo di sollevamento e abbassamento della piattaforma.
La fotocamera viene utilizzata solo nel passaggio 4.2 come descritto nel protocollo, ma è fondamentale per questa opzione. La fase 4.2 richiede una telecamera per rilevare se una particella è stata intrappolata, consentendo la raccolta dei dati da più rig. Se la telecamera non è collegata correttamente, il rig non sarà in grado di tentare alcuna trappola.
Il terzo e più critico passo, il passo 5.2.1, è l’allineamento e la messa a fuoco del laser. L’obiettivo deve essere posizionato in modo che il punto focale si verifichi sopra l’elettromagnete. La piattaforma a sbalzo passerà attraverso il punto focale sopra l’elettromagnete, consentendo alle particelle di intrappolarsi. Supponiamo che il punto focale non sia centrato sopra il centro dell’elettromagnete. In tal caso, diventa difficile garantire che la piattaforma a sbalzo che trasporta le particelle passi attraverso il punto focale per creare trappole. Questo può portare a una mancanza di trappole. È inoltre essenziale che la piattaforma sia elevata rispetto all’elettromagnete in modo che il percorso laser non contatti costantemente la piattaforma. Ciò può causare la segnalazione di falsi positivi da parte della fotocamera. Per regolare più facilmente la posizione del punto focale, si consiglia di utilizzare una guida ottica nella configurazione del carro; ciò consentirà agli utenti di far scorrere facilmente il supporto dell’obiettivo all’indietro o in avanti per posizionare correttamente il punto focale. Il laser e la provetta/parte a sbalzo sono già allineati se il carro è stato costruito in modo appropriato; l’uso della guida ottica manterrà la lente allineata con le altre parti.
Due opzioni separate sono dettagliate nel protocollo, il passaggio 4.1 e il passaggio 4.2. La prima opzione, il passaggio 4.1, è il modo semplice originale per eseguire il rig di maschiatura in miniatura. Questa opzione si basa sull’occhio umano per rilevare le particelle anziché su un sistema di telecamere. Questa opzione è la migliore per raccogliere rapidamente set di dati più piccoli o in situazioni in cui si desidera una dimostrazione dal vivo. La prima opzione è stata utilizzata durante i primi due esperimenti prima della creazione della seconda opzione. La seconda opzione, il passaggio 4.2, utilizza una telecamera per il rilevamento e l’intrappolamento automatici, consentendo di eseguire migliaia di test e inserirli in un database senza alcuna supervisione umana. La precisione della fotocamera dipende dalle esatte condizioni di test; alcuni materiali più riflettenti, quando testati, sembravano avere un tasso di intrappolamento meno accurato rispetto a test simili effettuati con il rilevamento umano. Tuttavia, diversi parametri nello script della fotocamera possono essere modificati per aumentare la precisione della fotocamera. L’esatta precisione della fotocamera è qualcosa che può essere migliorata, ma non è nemmeno una preoccupazione significativa perché i rig in miniatura sono pensati per i test iniziali. La seconda opzione può anche essere facilmente modificata per eseguire due banchi di prova da una singola scheda microcontrollore; i dettagli di tale modifica sono inclusi nel fascicolo supplementare 7.
Il lavoro attuale sta sviluppando una forma più esatta e coerente di rilevamento automatico delle trappole attraverso l’apprendimento automatico. Questo nuovo sistema di rilevamento dell’apprendimento automatico, una volta terminato, utilizzerà reti neurali convoluzionali per rilevare meglio le particelle intrappolate con un tasso di precisione molto più elevato (superiore al 95%), rafforzando ulteriormente l’uso e l’effetto che tali piattaforme di test in miniatura possono avere sul futuro della ricerca sui display delle trappole fotoforetiche.
Nella sua attuale forma di base, il rig di intrappolamento in miniatura è limitato in alcuni modi. Questi carri in miniatura non sono in grado di creare OTD effettivi scansionando la particella dopo che si è verificata una trappola. Il design limita anche la possibilità di aggiungere scanner per un uso futuro nella creazione di OTD. Un’altra limitazione della progettazione è la necessità di componenti aggiuntivi per un test specifico. Ad esempio, un attenuatore ottico variabile è stato utilizzato per raccogliere i set di dati a diversi livelli di potenza di uscita ottica durante il test di potenza laser. Allo stesso modo, se un ricercatore volesse testare la lunghezza d’onda del laser in un test futuro, richiederebbe diversi altri laser di potenza ottica comparabile con diverse lunghezze d’onda oltre al laser utilizzato in questo lavoro. Il carro richiederebbe molto probabilmente ulteriori modifiche per contenere ogni laser, questo processo limiterebbe la velocità alla quale tale test potrebbe essere condotto, ma sarebbe comunque possibile. Questo design è anche determinato dalla necessità di stampare in 3D un nuovo supporto per ogni obiettivo. Il design e l’applicazione sono anche limitati alle lenti sferiche biconvesse, che producono aberrazione sferica per formare regioni in cui può verificarsi l’intrappolamento.
In futuro, le applicazioni future includono test continui e ottimizzazione dei parametri di intrappolamento fotoforetico. Come accennato brevemente in precedenza, il rig di intrappolamento in miniatura potrebbe essere facilmente modificato in un sistema OTD economico di base aggiungendo scanner per il controllo dell’asse y e dell’asse x. L’erogazione di particelle controllata dall’elettromagnete utilizzata nel carro di intrappolamento in miniatura potrebbe anche essere implementata in futuri sistemi OTD avanzati.
Il rig di cattura in miniatura è in definitiva unico e distinto in questo campo di ricerca perché può essere fabbricato in modo economico e rapido, consentendo test di massa rapidi. Questi carri sono pensati per essere sistemi snelli progettati per il test iniziale e l’ottimizzazione dei parametri di intrappolamento fotoforetico. Un singolo rig può eseguire il test a una velocità di ~ 250 tentativi all’ora. Molti altri tipi di sistemi o impianti di intrappolamento fotoforetico sono stati sviluppati per avere sistemi automatici migliori o ottenere di più scansionando la particella per creare un’immagine dopo una trappola di successo1,8. Questi sistemi di cattura in miniatura non sono destinati a sostituire l’uso di tali sistemi. Hanno lo scopo di testare rapidamente i parametri e le condizioni di intrappolamento fotoforetico per dare ai ricercatori una migliore comprensione di ciò che rende una buona cattura fotoforetica. Il carro di cattura in miniatura democratizzerà la ricerca sulle trappole fotoforetiche e consentirà una nuova ondata di sperimentazione e progressione edisoniana in questo campo di ricerca.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario della National Science Foundation. Premio NSF ID-1846477.
1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |