Fabricage en testen van miniatuur automatische fotoforetische vanginstallaties

Samenvatting

Dit werk beschrijft en karakteriseert de fabricage van miniatuur automatische fotoforetische vanginstallaties.

Samenvatting

Dit artikel presenteert een geautomatiseerde, snel-fab-compatibele, fotoforetische valtestbank om de democratisering en crowdsourcing van volumetrisch display-onderzoek mogelijk te maken. De rig kan binnen 2 uur worden gebouwd met behulp van een lasersnijder, 3-dimensionale (3D) printer en gangbare handgereedschappen. In zijn huidige vorm kan de rig worden gebruikt om de volgende kritische parameters te testen: deeltjestype, valtype, numerieke opening en luchtstroom met een snelheid van ongeveer 250 monsters per uur. Met kleine aanpassingen kan de rig worden gemaakt om een nog grotere set parameters te testen, zoals laservermogen en lasergolflengte, afhankelijk van de behoeften van de gebruiker. De rig kan machine vision gebruiken voor geautomatiseerde data capture en analyse. De bediening en constructie van de testopstelling worden beschreven met beknopte, eenvoudig te volgen stappen. De resultaten van een "boerderij" met vier eenheden voor de vermogens- en deeltjestypeparameters worden gerapporteerd. Dit platform zal de reikwijdte en samenstelling van optische trapweergaveparameters en onderzoekers verbreden door middel van toegankelijkheid en democratisering.

Inleiding

Het optical trap display (OTD) maakt de display geometrieën uit sciencefiction mogelijk. Het werkt door een deeltje te vangen door middel van fotoferese en het belichten van het deeltje1,2,3,4. Vervolgens vormt het slepen van dat deeltje door de ruimte een beeld in de lucht dat de kijker waarneemt als continu volgens de persistentie van ^visie5. Met deze schermloze 3D-technologie kan geometrieën worden weergegeven, zoals projecties met lange projecties, hoge zandtafels en wrap-around ^displays1. Deze geometrieën zijn uniek aantrekkelijk omdat ze geen scherm vereisen en inhoud creëren die vanuit vrijwel elke hoek kan worden bekeken.

Onderzoekers van de Brigham Young University vonden aanvankelijk succes in hun fotoforetische vangsysteem van de eerste generatie door gebruik te maken van een beam expander en galvanometerscanners, samen met verschillende spiegels en een of meer bolvormige lenzen om een fotoforetische val te creëren door bolvormige ^aberratie1,4. Deze vanginstallatie van de eerste generatie bevatte ook RGB-lasers (rood-groen-blauw) om nauwkeurige gekleurde schermverlichting mogelijk te maken. Met behulp van dit vangsysteem worden OTD's gemaakt door een enkel deeltje door een ingewikkeld pad te bewegen. Deze aanpak beperkt de grootte van afbeeldingen tot minder dan een kubieke centimeter en beperkt de complexiteit van realtime afbeeldingen tot wireframes en andere schaarse ^inhoud6,7. Bovendien wordt de schaalvergroting van deze technologie beperkt door de inconsistentie van fotoforetische ^overvulling8. Als een enkel val-/deeltjessysteem kan worden geoptimaliseerd, kan het scherm worden geschaald door een geoptimaliseerde val te repliceren en meerdere deeltjes synchroon te vangen en te ^scannen9. Eventuele problemen met een enkele val worden verergerd in een multi-trap-systeem, dus zorgvuldige optimalisatie van val- en deeltjesparameters is van cruciaal belang.

De optimalisatie van een individueel val-/vangsysteem vereist uitgebreide tests voor elke parameter van het fotoforetische vangsysteem7. Dergelijke parameters omvatten deeltjestype (substantie, vorm, grootte), laservermogen, lasergolflengte en numeriek diafragma (brandpuntsafstand, diameter, kanteling). Testen en experimenteren met vallen en opstaan voor elke parameter zal individuele vallen en meerdere synchrone vallen optimaliseren. Toch zullen ze grote hoeveelheden gegevens moeten verzamelen.

In het verleden is het onderzoeks- en testproces voor het optimaliseren van fotoforetische overvulling door middel van sferische aberratie slechts gedaan door een handvol onderzoekers over de hele wereld1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Tot voor kort vertrouwden onderzoekers van de Brigham Young University op een enkel, groot, duur vangsysteem om de benodigde gegevens te verzamelen, waardoor het proces van testen en verzamelen van gegevens traag ^was1,7. Sinds de introductie van optische valschermen als oplossing voor 3D-visualisatie in 20181, hebben individuen van alle leeftijdsgroepen en uit verschillende continenten echter de wens geuit om deel te nemen aan het onderzoek. Vanwege de gegenereerde interesse in OTD's hebben onderzoekers een manier willen vinden om alle geïnteresseerde partijen te laten deelnemen aan het onderzoeksproces. Eerdere generaties fotoforetische vanginstallaties, die beam splitters en galvanometers bevatten, waren te duur en tijdrovend om in massa te produceren en te ^{crowdsourcen1,6}, dus was een andere oplossing nodig.

Er is een nieuwe miniatuur fotoforetische vanginstallatie ontwikkeld, waarmee alle geïnteresseerde partijen kunnen deelnemen aan onderzoek en snel gegevens kunnen testen en verzamelen voor alle hierboven genoemde belangrijke parameters. Ze kunnen snel worden gefabriceerd door iedereen die toegang heeft tot een 3D-printer en lasersnijder. Dit ontwerp probeert kosten en complexiteit te minimaliseren, risico's te beperken en automatisering, interconnectiviteit en flexibiliteit te maximaliseren (figuur 1). De nieuwe rig maakt gebruik van de meest eenvoudige optische opstelling voor fotoforetische vangmethoden die mogelijk zijn: een enkele laser en ^lens10. De kleine rigs zijn eenvoudig te gebruiken zodra ze zijn ingesteld en kunnen testen met een snelheid van ongeveer 250 pogingen per uur.

De gegevens die van deze rigs worden verzameld uit de tests van toekomstige burgerwetenschappers en onderzoekers zullen aanzienlijk helpen bij het ontwikkelen van fotoforetische trapping in het gebruik ervan voor 3D-visualisatie door de optimalisatie van vangparameters en individuele vallen mogelijk te maken.

Protocol

1.3D printen en lasersnijden van de benodigde materialen

1. 3D-print de onderstaande materialen
   1. Print de lenshouder met behulp van een filament FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printer (zie Tabel met materialen) volgens de informatie in aanvullend bestand 1. Deze lenshouder is voor een 30 mm (diameter) lens (figuur 2).
      OPMERKING: Het bestand kan eenvoudig worden aangepast aan andere lenzen.
   2. Print vervolgens het cantileverplatform en de houder uit (figuur 2) (aanvullend bestand 2 en aanvullend bestand 3).
      OPMERKING: Dit kan ~ 2-14 uur duren, afhankelijk van het detail van de afdrukken. De details van de afdrukken mogen geen invloed hebben op de overvulsnelheid als er voldoende van de vangstof is geplaatst (stap 5.3.4).
2. Snijd met behulp van een 3D-lasersnijder (zie Materialentabel) de rigstukken uit (Figuur 3) (Aanvullend Dossier 4-5).
   OPMERKING: Deze snede kan worden gedaan op elk materiaal van een kwart inch dikte, maar hout is het aanbevolen materiaal. Aanvullend Dossier 4 bevat de benodigde rig stukken die passen op een 12 x 12 in stuk hout. Aanvullend bestand 5 bevat een optionele lichtschild/blokker.
3. Snijd met behulp van een glassnijder (zie Tabel met materialen) een standaard reageerbuis (~ 2,5 cm in diameter) ongeveer in tweeën, zodat de helft met twee open uiteinden ~ 6,5 cm lang is.

2. Montage van de houten rigs

OPMERKING: Tijdens het monteren van de houten rig kunnen instructies in stappen 2.1 -2.5 "slide" zeggen, maar stukken kunnen meer kracht vereisen om op de juiste manier te worden gepositioneerd en gebouwd.

1. Plaats het basisstuk naar beneden met het Y-embleem naar boven gericht (figuur 1A).
2. Houd de twee lange zijstukken aan weerszijden van de basis vast terwijl de eerste laserhouder aan het ene uiteinde wordt geplaatst en de eerste reageerbuishouder aan de andere kant (figuur 1B, C).
3. Schuif beide elektromagnetische houders opzij op de camerahouder. Zorg ervoor dat de magneethouders aan elke kant met ~ 1 cm van elkaar verwijderd zijn (figuur 1D).
   1. Schuif de magneethouders en de camerahouder als eenheid naast de eerste reageerbuishouder, uit elkaar geplaatst. Vandaar 1 cm tussen de reageerbuishouder en de eerste elektromagneethouder (de rand van de camerahouder voorbij de elektromagneethouder kan als referentie dienen voor 1 cm) (Figuur 1E).
      OPMERKING: Zowel de camerahouder als het lichtschild zijn niet vereist voor het primaire gebruik van het miniatuur vangsysteem, maar beide worden aanbevolen voor de uniformiteit van de installatie-instelling.
4. Plaats vervolgens de tweede reageerbuishouder na beide elektromagnetische houders, zodat er ~ 1 cm ruimte is tussen de tweede reageerbuishouder en de tweede elektromagneethouder.
   OPMERKING: In totaal is er tussen de twee reageerbuishouders ~ 4 cm ruimte (de camerabevestiging heeft een breedte van 4 cm, voor een positioneringsreferentie) (figuur 1F).
   1. Als u het optionele lichtschild/blokker (aanvullend bestand 5) gebruikt, schuift u het lichtschild op het andere uiteinde van de reageerbuishouders en elektromagnetische houders van de camerahouder; dit helpt bij het centreren en uitlijnen van de reageerbuis en elektromagnetische houders.
5. Schuif de tweede laserhouder op zijn plaats; er is geen exacte afstand vereist. De aanbevolen afstand is 3-4 cm, maar dit kan variëren afhankelijk van de lengte van de laser.
6. Indien gewenst kan een optische rail (zie Materiaaltabel) onder alle houders worden geschoven om andere elementen van het vangsysteem uit te lijnen. Dit is vooral handig voor het uitlijnen van de lens met de laser en reageerbuis (figuur 1G).
7. Plaats de elektromagneet (zie Tabel met materialen) in de elektromagnetische houders (figuur 1H).

3. Aansluiting van het circuit op de opgegeven microcontrollerkaart

1. Sluit een computerscherm, toetsenbord en muis aan op het microcontrollerbord (zie Materiaaltabel). Start het microcontrollerbord op en zorg ervoor dat het besturingssysteem werkt. Er zijn geen wijzigingen in de oorspronkelijke microcontrollerconfiguraties vereist, hoewel zowel VNC (virtual network connection) als SSH (secure shell) indien gewenst kunnen worden geselecteerd. Dit zou externe toegang tot de microcontroller mogelijk maken.
2. Bouw het elektromagneetbesturingscircuit met behulp van een spanningsregelaar (zie Tabel met materialen), een breadboard en een paar draden (figuur 4A).
   OPMERKING: Alle pinnummers voor de microcontrollerkaart zijn de GPIO-pinnen (algemene invoer en uitvoer).
   1. Plaats de spanningsregelaar in het breadboard zodat elke pin in een andere rij staat om correct gebruik mogelijk te maken.
   2. Sluit de ingangspen van de spanningsregelaar aan op een van de 5V-voedingspennen op de microcontrollerkaart.
   3. Sluit de stelpen van de spanningsregelaar aan op GPIO 23 op de microcontrollerkaart.
   4. Sluit de ingangsdraad van de elektromagneet aan op de uitgangspen van de spanningsregelaar. Sluit vervolgens de uitgangsdraad van de elektromagneet aan op een aardpen op de microcontroller; dit wordt het best bereikt door een andere rij in het breadboard te gebruiken om de twee met een extra draad te verbinden.

4. Uploaden van de code voor het bedienen van het systeem

OPMERKING: Voor het uploaden van de code moet stap 4.1 of stap 4.2 worden gevolgd. Stap 4.1 bevat instructies voor de eenvoudige versie van de code die geen camera gebruikt. Stap 4.2 bevat instructies voor de versie die een camera gebruikt.

1. Voer de stappen uit in overeenstemming met de instructies in aanvullend bestand 6.
   1. Open de terminal en navigeer naar de locatie om de benodigde bestanden op te slaan. Maak een nieuwe map op het microcontrollerbord door het terminalcommando 'mkdir' te typen, gevolgd door de gewenste mapnaam. Deze map wordt gebruikt om de bestanden op te slaan voor het uitvoeren van de trap rig.
   2. Voeg aanvullend bestand 6 in de nieuwe map in. Zie de sectie Leesmij aan het begin van het bestand voor meer informatie. Na het wijzigen van het testnummer naar de gewenste hoeveelheid, is het programma klaar om te worden uitgevoerd.
      OPMERKING: Dit bestand bevat een benodigde variabele genaamd num_tries die bepaalt hoeveel tests in één run moeten worden uitgevoerd. Dit bestand bevat altijd een paar pauzes, die kunnen worden ingekort voor snellere tests.
2. Voer SQLite uit en bekijk deze op het microcontrollerbord volgens de onderstaande stappen. Dit vereist aanvullend dossier 7-11 en een camera en de relevante expertise.
   1. Installeer de benodigde databasebibliotheken op het microcontrollerbord door in de terminal 'Sudo apt-get install SQLite browser' en 'Sudo apt-get install sqlite3' in te typen. Hierdoor kan de microcontroller automatisch alle gegevens van de tests opslaan met behulp van Aanvullend bestand 9.
   2. Sla aanvullend bestand 11, het camerascript op zoals main.py op de camera. Dit kan via een bestandsverkenner of de geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) die voor de camera is ontwikkeld (zie Tabel met materialen).
      OPMERKING: IDE wordt aanbevolen omdat gebruikers hiermee de uitvoer van de camera kunnen zien, wat helpt om ervoor te zorgen dat de camera correct scherpstelt.
   3. Sluit de camera aan op het microcontrollerbord. Gebruik 4 pinnen, inclusief de grondpen van de camera. Sluit de aardpen moet aansluiten op de grond van het microcontrollerbord. De volgende pinnen moeten overeenkomen zoals hieronder vermeld:
      1. Camerapin 8 verbinden met GPIO 19: Deze pin stuurt de resultaten van elke trap terug naar de pi.
      2. Camerapin 9 verbinden met GPIO 17: Deze pin geeft de camera toestemming om te beginnen met zoeken.
      3. Camerapin 7 verbinden met GPIO 5: Dit is de camerastatuspin.
   4. Maak een map om alle bestanden op te slaan. Nadat u deze map hebt gemaakt, slaat u de bestanden op zoals aangegeven in Aanvullend bestand 7-10 in de map; hernoem ze respectievelijk readme.txt, main.py, electromagnet.py en test_insert.py.
   5. Lees aanvullend bestand 7 (ReadMe.txt).
      OPMERKING: Het leesmij-bestand geeft een goede uitleg van wat elk bestand doet en de wijzigingen die mogelijk nodig zijn voor elk bestand, zoals het mappad van de database.
   6. Open de databaseviewer die in stap 4.2.1 is geïnstalleerd. Klik op de knop Nieuwe database en sla de database op in dezelfde map als de andere bestanden. De nieuwe database moet overeenkomen met de naam van het databasebestand in test_insert.py.
   7. Maak in de database een tabel in de nieuwe database om de gegevens op te slaan. De database heeft 5 velden, parameter_type, trapped, testname, testnum en rigID.
      OPMERKING: De tabelsecties moeten nauwkeurig zijn zoals opgegeven of er moeten meer wijzigingen worden aangebracht in Main.py en test_insert.py.

5. Testvoorbereidingen

1. Bereid de lens voor door de lens in de lenshouder te plaatsen. Zorg ervoor dat de lens tijdens het testen in de houder blijft. Hier kan wat hete lijm nodig zijn.
   OPMERKING: De rig vereist het gebruik van een bolvormige bi-convexe om de juiste vorming van vanggebieden te garanderen.
2. Plaats na het voorbereiden van de lens (stap 5.1) de lenshouder op de optische rail en de laser (zie Materiaaltabel) in de laserhouder.
   OPMERKING: De voorgestelde laser in de lijst met materialen vereist geen kalibratie voor gebruik. Een veiligheidsbril moet worden gedragen wanneer de laser in gebruik is.
   1. Zoek met behulp van de lens en de laser of andere lichtbron het brandpunt van de laser en schuif de lenshouder langs de optische rail totdat het brandpunt over de elektromagneet is gecentreerd.
      OPMERKING: Deze stap is van cruciaal belang voor het overvullen; als het brandpunt niet gecentreerd is over de elektromagneet, zal het cantileverplatform geen deeltjes in het brandpunt brengen.
   2. Markeer dit punt met een potlood op de houten basis voor toekomstig gebruik.
      LET OP: Elke lens wordt al geleverd met een brandpuntsafstandmeting, maar deze metingen zijn niet altijd correct.
3. Bereid de vangcitaat voor
   1. Zorg ervoor dat de laser weer goed is uitgeschakeld.
   2. Lijm met behulp van een heet lijmpistool een kleine knopmagneet (zie Materiaaltabel) met dezelfde polariteit als de elektromagneet op het platte oppervlak van het platform, zodat de elektromagneet het platform afstoot.
      OPMERKING: De polariteit van de magneten moet op de juiste manier worden afgestemd, zodat het platform wordt afgestoten door de elektromagneet, waardoor de deeltjes in de straal van de laser worden geduwd, zodat er vallen kan optreden.
   3. Neem het 3D-geprinte, uitkragende platform en coat het platform in zwarte aluminiumfolie, die het platform beschermt tegen smelten.
      OPMERKING: Gewone folie kan worden gebruikt, maar het veroorzaakt te veel verblinding voor het camerasysteem om te worden gebruikt. Probeer de zwarte folietape te gebruiken (zie Tabel met materialen), die prima werkt met de camera (figuur 5A). Folie wordt aanbevolen omdat het gemakkelijk kan worden vervangen voor het testen van andere stoffen, maar vergelijkbare producten kunnen indien gewenst worden gebruikt.
   4. Nadat u het platform met de aluminiumfolie hebt bedekt, plaatst u het geselecteerde deeltjestype dat door de gebruiker is gekozen voor testen op de schuine kant van het platform (zie Tabel met materialen voor opties voor deeltjestype of zie Figuur 6A).
   5. Steek de sledearmen voorzichtig in de ronde houder zodat de magneetzijde naar buiten is gericht. Steek vervolgens de reageerbuis voorzichtig in dezelfde houder. Als dit correct is gedaan, zal de magneet bijna het glas raken (figuur 5B).
   6. Plaats de reageerbuis op de reageerbuishouders zodat het platform gecentreerd is over de elektromagneet. Als de magneet op de juiste manier aan het sledeplatform is bevestigd, moet de uitkraging in een opwaartse positie lijken te zijn die door de elektromagneet wordt afgestoten.
4. Plaats de camera in de camerahouder om eventuele vallen vast te leggen die zich boven/rond het platform voordoen. Controleer vervolgens alle andere positioneringen (figuur 1I-J).

6. De test starten

OPMERKING: Voor het testen moet stap 6.1 of stap 6.2 worden gevolgd.

1. Als u de instructies uit stap 4.1 gebruikt, drukt u op start in het bestand of start u het bestand normaal vanaf de terminal.
2. Als u de instructies uit stap 4.2 gebruikt, start u deze test vanaf de terminal met de onderstaande parameters.
   1. Gebruik terminalopdrachten om het bestandssysteem eenmaal in de juiste map uit te voeren met de opdracht "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Het dossier main.py is opgenomen in Aanvullend Dossier 8.
   2. Vervang de test_num door het gewenste aantal tests. Vervang de Parameter_type door het type parameter waarop de test is gericht.
      OPMERKING: Als er bijvoorbeeld tests zouden worden uitgevoerd om te bepalen welke aangedreven laser het beste is, zou Parameter_type worden vervangen door laser_power en zou de exact_parameter worden vervangen door het optische uitgangsvermogen van de huidige laser.

Resultaten

Het belangrijkste resultaat dat wordt bereikt door het bovenstaande protocol te volgen, is het creëren van een miniatuur fotoforetische vanginstallatie, die snel verschillende parameters kan testen. Tot nu toe zijn deze rigs gebruikt om twee kritieke parameters te testen, laservermogen en deeltjestype. Het parallelle lopen van meerdere miniatuurplatforms heeft onderzoekers in staat gesteld om gegevens met veel grotere steekproefgroottes in een veel snellere periode te verzamelen.

De eerste test, uitgevoerd tijdens het ontwikkelen van het bovenstaande protocol, was een laservermogenstest. Tijdens deze test werd een enkele miniatuurinstallatie gebruikt, zonder het cameradetectiesysteem, omdat het nog niet was ontwikkeld; in plaats daarvan werd stap 4.1 uit het protocol gebruikt. Hiervoor moest een onderzoeker aanwezig zijn bij de gegevensverzameling van alle valdetecties. Het doel van deze test was om het ideale laservermogen te bepalen voor het vangen. Door een optische verzwakker (variabel neutraal dichtheidsfilter) tussen de laser en de lens op de rig te plaatsen, werd het optische vermogen van de laser gewatteerd. Figuur 7 toont de resultaten van dit experiment. Een hoog optisch vermogen kwam overeen met een hogere vangsnelheid. De laser op vol vermogen had de hoogste geregistreerde vangsnelheid voor deze test. Deze test was echter beperkt tot één laser met een maximaal optisch vermogen van ~120 mW.

De tweede test was om te bepalen welk materiaal of welke stof de hoogste vangsnelheid zou hebben. Deze test werd uitgevoerd met behulp van een unieke miniatuurtestbank zonder het cameradetectiesysteem. Tien verschillende deeltjes werden getest met een steekproefgrootte van 100 pogingen voor elk deeltje (alle geteste stoffen zijn te vinden in de tabel van materialen met hun beschrijvingen). De steekproefomvang was beperkt tot 100 vanwege de noodzaak om een onderzoeker elke poging te laten bekijken voor gegevensverzameling. Alle benodigde gegevens werden in twee werkdagen verzameld. Figuur 6A toont de resultaten van de deeltjestypetest. Van de 10 geteste materiaal-/deeltjestypen bleek dat diamantnanodeeltjes (55-75%) en printertoner de twee beste deeltjestypen waren met snelheden van respectievelijk 14% en 10% (tabel 1).

Na de eerste twee tests voelden onderzoekers zich beperkt tot een enkele rig die actief moest worden bekeken tijdens het testen; dit leidde tot stap 4.2 zoals beschreven in het protocol. Deze optie bevat een cameradetectiesysteem, waarmee gebruikers meerdere miniatuurtestbanken tegelijk kunnen uitvoeren en waarvoor geen gebruiker aanwezig hoeft te zijn voor het testen.

Voor het testen van dit nieuwe camerasysteem werd een aangepaste hertest van de deeltjestypetest uitgevoerd. Slechts een paar verschillende deeltjestypen werden geselecteerd uit de 10 die aanvankelijk werden gebruikt om opnieuw te worden getest voor deze nieuwe deeltjestypetest. De geselecteerde deeltjes ondergingen een nieuwe testronde. Met behulp van een "boerderij" van vier miniatuur testopstellingen had elk van de geselecteerde deeltjes een totale testmonstergrootte van 4.000 pogingen. Nogmaals, alle benodigde gegevens werden in twee volledige werkdagen verzameld (tabel 2). Het primaire doel van deze hertest van het deeltjestype was om het nieuwe camerasysteem te testen. Deze test maakte het mogelijk om de resultaten van de initiële deeltjestypetest, waarbij een onderzoeker de vallen rapporteerde, te vergelijken met de resultaten van het cameradetectiesysteem. De testresultaten waren iets anders dan de oorspronkelijke tests, maar nog steeds vergelijkbaar (figuur 6B). Het beste deeltjestype uit de eerste test, diamant nanodeeltjes 55-75%, was nog steeds het beste in de hertest, maar had wel een iets lagere vangsnelheid dan voorheen. Het verschil in resultaten is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan een grotere steekproefomvang en een onvolmaakt cameradetectiesysteem. Hoewel de resultaten voor deze deeltjestest iets anders waren dan verwacht, zullen de resultaten die door het camerascript worden verzameld bij het testen van andere parameters waarbij het materiaal constant blijft, zoals laservermogen of brandpuntsafstand van de lens, betrouwbaar zijn.

De resultaten van alle drie de uitgevoerde tests zijn relatief ten opzichte van de rigs waarop ze zijn uitgevoerd, maar de trends in de gegevens zullen waar blijken te zijn wanneer ze worden getest op andere, nauwkeurigere fotoforetische testopstellingen. De miniatuur testopstellingen zijn niet bedoeld om andere testopstellingen volledig te vervangen. Toch zijn ze bedoeld om onderzoekers in staat te stellen snel en efficiënt alle parameters en mogelijkheden te verkennen in edisoniaanse (trial and error) testen om trends en ontdekkingen te vinden voor verder onderzoek naar nauwkeurigere rigs.

Figuur 1: Rig progressie met de voltooide miniatuur fotoforetische testopstelling. Het cijfer komt overeen met stap 2 en de bijbehorende substappen. (A) Toont stap 2.1. (B) Demonstreert stap 2.2, de basis met de twee lange zijden. (C) Toont stap 2.2, het frame van de rig, een basis met beide zijden en de eerste laserhouder en reageerbuishouder. (D) Stap 2.3 toont de camerahouder in combinatie met beide elektromagnetische houders. (E) Stap 2.3.1 biedt de combinatie van figuren 1C,D. (F) Stap 2.4, de tweede reageerbuishouder en de tweede laserhouder zijn toegevoegd. (G) Het optionele lichtschild en de optische rail zijn toegevoegd. (H) De elektromagneet wordt in de houder geplaatst. (I) De laser en de reageerbuis zijn in hun houders geplaatst. (J) Dit toont de gehele voltooide test tig zonder de stroombron voor de microcontrollerkaart. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: 3D-geprinte stukken. Inbegrepen in deze figuur zijn de lenshouder, ronde platformhouder en sledeplatform. Het ontwerp voor de 3D-geprinte lenshouder is te vinden in Supplemental File 1. Deze lenshouder is, wanneer bedrukt, voor een lens van 30 mm in diameter. Aanvullend dossier 2-3 bevat de ontwerpen voor de platformhouder en het platform. De platformhouder heeft vier sets die het platform kan gebruiken, maar om het tuig te laten werken zoals ontworpen, moet het platform de gaten gebruiken die in de afbeelding zijn aangegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Gelabelde lasergesneden stukken. Deze figuur labelt de stukken van aanvullend bestand 4, dat het bestand bevat voor alle lasergesneden stukken behalve het optionele lichtschild. Na het afdrukken moeten er 1 basis, 2 zijden, 2 laserhouders, 2 reageerbuishouders, 2 elektromagnetische houders en 2 camerahouders zijn (slechts één is nodig). Het optionele lichtschild is te vinden in Aanvullend Dossier 5. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Spanningsregelaar en elektromagnetisch circuit. (A) Ter referentie, bij het bouwen van het circuit. De spanningsregelaar heeft 3 pinnen, een aanpassing, ingang en uitgang. (B) Deze figuur toont de voltooide schakeling beschreven in stap 3. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Platformvoorbereidingen en reageerbuisval citeren. (A) Voordat het testen kan worden uitgevoerd, moet het platform worden voorbereid. Het reservoir van deeltjes waar de laser zal schijnen om deeltjes op te pikken, wordt onmiddellijk voor het testen op het platform geplaatst. Zwarte aluminiumfolie moet op het platform worden geplaatst voordat de deeltjes. Dit voorkomt dat de laser door het platform smelt. (B) Tijdens het testen vindt de daadwerkelijke vang van deeltjes plaats in de reageerbuis, waardoor een consistente automatische beweging van het platform voor elke valpoging wordt gewaarborgd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Deeltjestypetest (handmatig) en (camera). (A) Een test van 10 verschillende deeltjes werd uitgevoerd om het deeltje met de beste vangsnelheid te vinden. (B) Een tweede test van het deeltjestype werd uitgevoerd met een cameradetectiesysteem. Slechts 4 van de oorspronkelijke 10 deeltjes werden getest. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: Resultaten van de laservermogenstest. De snelheid van vallen voor verschillende laservermogensniveaus werd gemeten tijdens de laservermogenstest. De hogere machten produceerden hogere percentages van vallen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Zwarte vloeistof (poeder)	Zwarte drank (pasta)	Wolfraam (12 micron)	Wolfraam (1-5 micron)	Aluminium Poeder	Printer Toner	Grafiet	Diamant Nanodeeltjes (95%)		Diamant Nanodeeltjes (55-75%)		Nigrosin
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%

Tabel 1: Resultaten van de deeltjestypetest met de beste vangsnelheid. De totale steekproefomvang van 100 pogingen werd uitgevoerd in 4 sets van 25 voor elk materiaal.

Zwarte likeurpasta	Diamant Nanodeeltjes 55-75%	Grafiet	Wolfraam (12 micron)
2.10%	11.70%	10.60%	6.40%

Tabel 2: Resultaten van de deeltjestypetest uitgevoerd met een cameradetectiesysteem. Gegevens verzameld uit de SQLite-database. De gegevens werden aanvankelijk verzameld in 4 sets van 1000 voor een steekproefomvang van 4000 per materiaal. Individuele records voor elke set werden niet samengesteld uit SQLite; alleen de totale percentages werden samengesteld.

Aanvullend bestand 1: File_1-Lens Holder.stl. Hierin zit het 3D-printbestand voor de lenshouder (zie figuur 2). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 2: File_2-Platform.stl. Hierin zit het 3D-printbestand voor het cantilever platform (zie figuur 2). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 3: File_3-Platform holder.stl. Deze bevat het 3D-printbestand voor de platformhouder (zie figuur 2). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 4: File_4-Rig Pieces.odg. Deze bevat het lasersnijbestand voor de rigstukken (zie figuur 1 en figuur 3). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 5: File_5-Light Shield.odg. Deze bevat het lasersnijbestand voor de optionele lichtschild/blokker. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 6: File_6-Opt1.system.py. Deze bevat de volledige code voor het gebruik van de instructie uit stap 4.1. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Dit bevat het readme-bestand met enkele details voor Supplementary Files 8-11. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 8: File_8-Opt2.main.py. Dit bevat het hoofdscript voor de instructies in stap 4.2. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Deze bevat het script voor stap 4.2 die de elektromagneet bestuurt. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Dit bevat het script voor stap 4.2 waarmee gegevens automatisch naar de database worden geüpload. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Dit bevat het script dat tijdens stap 4.2.2 naar de camera moet worden geüpload. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

Het huidige protocol bevat verschillende essentiële stappen die van cruciaal belang zijn voor het automatisch draaien van de vanginstallatie. Ten eerste moet de elektromagneet op de juiste manier aan de microcontrollerkaart worden bevestigd via het opgegeven circuit. Zonder de elektromagneet gaat het totale nut van de miniatuurtestbank verloren. De elektromagneet regelt elke vangpoging door het deeltjesreservoir op het sledeplatform omhoog te brengen in het pad van de laser. Elke valpoging is een andere cyclus van het verhogen en verlagen van het platform.

De camera wordt alleen gebruikt in stap 4.2 zoals beschreven in het protocol, maar het is van cruciaal belang voor die optie. Stap 4.2 vereist dat een camera detecteert of een deeltje is gevangen, waardoor gegevens van meerdere platforms kunnen worden verzameld. Als de camera niet correct is aangesloten, kan de rig geen overvulling proberen.

De derde en meest kritieke stap, stap 5.2.1, is het uitlijnen en scherpstellen van de laser. De lens moet zo geplaatst worden dat het brandpunt over de elektromagneet komt. Het vrijdragende platform zal door het brandpunt over de elektromagneet gaan, waardoor deeltjes kunnen worden opgevangen. Stel dat het brandpunt niet gecentreerd is boven het midden van de elektromagneet. In dat geval wordt het een uitdaging om ervoor te zorgen dat het vrijdragende platform dat deeltjes vervoert door het brandpunt gaat om vallen te creëren. Dit kan leiden tot een gebrek aan vallen. Het is ook essentieel dat het platform boven de elektromagneet wordt verhoogd, zodat het laserpad niet constant contact maakt met het platform. Dit kan ertoe leiden dat de camera valse positieven meldt. Om de locatie van het brandpunt gemakkelijker aan te passen, wordt voorgesteld om een optische rail te gebruiken bij de opstelling van de rig; hierdoor kunnen gebruikers de lenshouder gemakkelijk naar achteren of naar voren schuiven om het brandpunt goed te positioneren. Het laser- en reageerbuis/slededeel zijn al uitgelijnd als de rig op de juiste manier is gebouwd; het gebruik van de optische rail houdt de lens uitgelijnd met de andere delen.

Twee afzonderlijke opties worden beschreven in het protocol, stap 4.1 en stap 4.2. De eerste optie, stap 4.1, is de originele eenvoudige manier om de miniatuur tapinstallatie uit te voeren. Deze optie vertrouwt op het menselijk oog om deeltjes te detecteren in plaats van een camerasysteem. Deze optie is het beste voor het snel verzamelen van kleinere gegevenssets of in situaties waarin een live demonstratie gewenst is. De eerste optie werd gebruikt tijdens de eerste twee experimenten voordat de tweede optie werd gemaakt. De tweede optie, stap 4.2, maakt gebruik van een camera voor automatische detectie en overvulling, waardoor duizenden tests kunnen worden uitgevoerd en ingevoerd in een database zonder enig menselijk toezicht. De nauwkeurigheid van de camera is afhankelijk van de exacte testconditie; bepaalde meer reflecterende materialen bleken, wanneer getest, een minder nauwkeurige vangsnelheid te hebben in vergelijking met vergelijkbare tests die werden uitgevoerd met menselijke detectie. Verschillende parameters in het camerascript kunnen echter worden gewijzigd om de nauwkeurigheid van de camera te vergroten. De exacte nauwkeurigheid van de camera is iets dat kan worden verbeterd, maar het is ook geen grote zorg omdat de miniatuur rigs bedoeld zijn voor de eerste tests. De tweede optie kan ook eenvoudig worden aangepast om twee testopstellingen op één microcontrollerkaart uit te voeren; de details voor die wijziging zijn opgenomen in aanvullend dossier 7.

Het huidige werk is het ontwikkelen van een meer exacte en consistente vorm van automatische valdetectie door middel van machine learning. Dit nieuwe machine learning-detectiesysteem zal, wanneer het klaar is, convolutionele neurale netwerken gebruiken om gevangen deeltjes beter te detecteren met een veel hogere nauwkeurigheid (meer dan 95%), waardoor het gebruik en het effect dat dergelijke miniatuurtestbanken kunnen hebben op de toekomst van fotoforetisch valschermonderzoek verder wordt versterkt.

In zijn huidige basisvorm is de miniatuur vanginstallatie op een paar manieren beperkt. Deze miniatuur rigs zijn niet in staat om echte OTD's te maken door het deeltje te scannen nadat een val is opgetreden. Het ontwerp beperkt ook de mogelijkheid om scanners toe te voegen voor toekomstig gebruik bij het maken van OTD's. Een andere beperking van het ontwerp is de behoefte aan extra componenten voor een specifieke test. Een variabele optische verzwakker werd bijvoorbeeld gebruikt om de datasets te verzamelen op verschillende optische uitgangsvermogensniveaus tijdens de laservermogenstest. Evenzo, als een onderzoeker de lasergolflengte in een toekomstige test zou willen testen, zouden ze verschillende andere lasers met een vergelijkbaar optisch vermogen met verschillende golflengten nodig hebben naast de laser die in dit werk wordt gebruikt. De rig zou hoogstwaarschijnlijk extra aanpassingen vereisen om elke laser vast te houden, dit proces zou de snelheid beperken waarmee een dergelijke test kan worden uitgevoerd, maar het zou nog steeds mogelijk zijn. Dit ontwerp wordt ook bepaald door de noodzaak om voor elke lens een nieuwe lenshouder te 3D-printen. Het ontwerp en de toepassing zijn ook beperkt tot bolvormige biconvexe lenzen, die sferische aberratie produceren om gebieden te vormen waar overvulling kan optreden.

In de toekomst omvatten toekomstige toepassingen voortdurende tests en optimalisatie van fotoforetische overvulparameters. Zoals hierboven kort vermeld, kan de miniatuur vanginstallatie eenvoudig worden gewijzigd in een goedkoop OTD-basissysteem door scanners toe te voegen voor de y-as en x-asbesturing. De elektromagneetgestuurde deeltjesafgifte die in de miniatuur vanginstallatie wordt gebruikt, kan ook worden geïmplementeerd in toekomstige geavanceerde OTD-systemen.

De miniatuur vanginstallatie is uiteindelijk uniek en onderscheidend in dit onderzoeksgebied omdat het goedkoop en snel kan worden vervaardigd, waardoor snelle massatests mogelijk zijn. Deze rigs zijn bedoeld als slanke systemen die zijn ontworpen voor het initiële testen en optimaliseren van fotoforetische vangparameters. Een individuele rig kan testen met een snelheid van ~250 pogingen per uur. Veel andere soorten fotoforetische vangsystemen of rigs zijn ontwikkeld om betere automatische systemen te hebben of meer te bereiken door het deeltje te scannen om een beeld te creëren na een succesvolle ^val1,8. Deze miniatuur vangsystemen zijn niet bedoeld om het gebruik van dergelijke systemen te vervangen. Ze zijn bedoeld om snel parameters en omstandigheden van fotoforetische trapping te testen om onderzoekers een beter begrip te geven van wat zorgt voor goede fotoforetische trapping. De miniatuur vanginstallatie zal fotoforetisch valonderzoek democratiseren en een nieuwe golf van Edisoniaanse experimenten en progressie op dit onderzoeksgebied mogelijk maken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1/4In Plywood	NA		Gemaakt om in de laser-snijder te passen (normaal 1 x 1 ft)
3D FDM Printer	Raise 3D	Pro 2	Elk equivalent apparaat zou volstaan
3D Laser-cutter Printer	Glow Forge	Basic	Elk equivalent apparaat zou volstaan
5V Power Supply			AC/DC Adaptor
Alumiunum Powder	bioWORLD	10576	APS 17-30 micron
Black Aluminum Foil Tape		LLTP BF255 (op Amazon)	andere soorten folie (zwarte folie) kunnen indien gewenst worden gebruikt
Black Liquor			een gerecycled bijproduct gevormd tijdens het pulpen van hout
Button Magnet	Mealos		8 x 2 mm
Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser)		M-16A405-300-G	Elk optisch uitgangsvermogen en golflengte zou kunnen worden gebruikt voor testen. Voor het reproduceren van dit werk moeten 405 nm en ~120 mW worden gebruikt
Diamond Nanoparticles 55-75%	SkySpring Nanomaterials	0512HZ	55-75% zuiverheid, APS 4-15 nm
Diamond Nanoparticles 95%	SkySpring Nanomaterials	0510HZ	95% zuiverheid, APS 3-4 nm
Electromagnet	Wuxue Wn Fang Electric	WP-P25/20
Glass cutter	Dyna-cut	model 500-1	elke standaard glazen snijder of natte snijder kan worden gebruikt
Graphite powder	AeroMarine Products		325 Mesh, APS 44 microns
Jumper Wires	Elegoo		Male naar Female draden en Male naar Male draden zijn nodig
Lens	Surplus Shed	L8435	32 mm Diameter, 80 mm Brandpuntsafstand. Elke 32 mm lens past in de huidige lenshouder ontwerp
Nigrosin (Formalin-Nigrosin)	Innovating Science	IS5818	30 mL, feitelijk gevonden op Amazon
Open MV Camera	Open MV	M7	Elke equivalente Open MV camera zou moeten werken
Open MV IDE	Open MV		optionele gratis te downloaden geïntegreerde ontwikkelomgeving van OpenMV
Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters)	THORLABS	NDC-100C-2
Optical Rail	THORLABS	RLA1200	12'' optische rail
Printer Toner (CISinks Universal Toner)	CISinks		TN420, TN450, TN540, TN660, TN720 Toner poeder. Gevonden op Amazon
Raspberry Pi	Raspberry PI	Pi-4 Model B	Elke Pi 3 of 4, model B of B+ zou moeten volstaan (verwezen in tekst als een 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			Elk bedrijf/model zal volstaan
Voltage Regulator	STMicroelectronics	LM317t