Artykuł metodologiczny

Trójwymiarowy druk materiałów termoplastycznych w celu stworzenia zautomatyzowanych pomp strzykawkowych ze sterowaniem zwrotnym do zastosowań mikroprzepływowych

DOI:

10.3791/57532

⸱

30 sierpnia 2018

 ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 2Department of Mechanical Engineering, Carnegie Mellon University

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy protokół budowy sterowanej ciśnieniem pompy strzykawkowej do zastosowań mikroprzepływowych. Ta pompa strzykawkowa jest wykonana z korpusu wytwarzanego przyrostowo, gotowego sprzętu i elektroniki typu open source. Powstały w ten sposób system jest tani, prosty w budowie i zapewnia dobrze regulowany przepływ płynów, co umożliwia szybkie badania mikroprzepływowe.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikrofluidyka stała się kluczowym narzędziem w badaniach z zakresu nauk biologicznych, chemicznych i fizycznych. Jednym z ważnych elementów eksperymentów mikroprzepływowych jest stabilny system obsługi płynów, który jest w stanie dokładnie określić natężenie przepływu na wlocie lub ciśnienie wlotowe. W tym przypadku opracowaliśmy system pompy strzykawkowej, który jest w stanie kontrolować i regulować ciśnienie płynu wlotowego dostarczanego do urządzenia mikroprzepływowego. System ten został zaprojektowany przy użyciu tanich materiałów i zasad wytwarzania przyrostowego, wykorzystując trójwymiarowe (3D) drukowanie materiałów termoplastycznych i gotowych komponentów, gdy tylko jest to możliwe. System ten składa się z trzech głównych elementów: pompy strzykawkowej, przetwornika ciśnienia i programowalnego mikrokontrolera. W tym artykule szczegółowo opisujemy zestaw protokołów wytwarzania, montażu i programowania tego systemu pompy strzykawkowej. Ponadto dołączyliśmy reprezentatywne wyniki, które pokazują wysoką wierność, sprzężenie zwrotne kontroli ciśnienia wlotowego przy użyciu tego systemu. Oczekujemy, że protokół ten pozwoli naukowcom na wytwarzanie tanich systemów pomp strzykawkowych, obniżając barierę wejścia dla zastosowania mikrofluidyki w badaniach biomedycznych, chemicznych i materiałowych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Narzędzia mikroprzepływowe stały się przydatne dla naukowców zajmujących się badaniami biologicznymi i chemicznymi. Ze względu na niskie wykorzystanie objętości, możliwości szybkiego pomiaru i dobrze zdefiniowane profile przepływu, mikrofluidyka zyskała na popularności w badaniach genomicznych i proteomicznych, wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych, diagnostyce medycznej, nanotechnologii i analizie pojedynczych komórek1,2,3,4. Co więcej, elastyczność konstrukcji urządzeń mikroprzepływowych umożliwia prowadzenie badań podstawowych, takich jak badanie dynamiki czasoprzestrzennej hodowanych kolonii bakteryjnych5.

Wiele typów systemów wtrysku płynów zostało opracowanych w celu precyzyjnego dostarczania przepływu do urządzeń mikroprzepływowych. Przykładami takich systemów wtryskowych są pompy perystaltyczne i recyrkulacyjne6, systemy regulatora ciśnienia7 oraz pompy strzykawkowe8. Te systemy iniekcyjne, w tym pompy strzykawkowe, często składają się z drogich, precyzyjnie zaprojektowanych komponentów. Wzbogacenie tych systemów o sterowanie ciśnieniem w strumieniu wyjściowym w pętli sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej zwiększa koszt tych systemów. W odpowiedzi na to opracowaliśmy solidny, niedrogi system pompy strzykawkowej, który wykorzystuje sterowanie sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej do regulacji ciśnienia przepływu wyjściowego. Dzięki zastosowaniu kontroli ciśnienia w pętli zamkniętej, nie ma potrzeby stosowania drogich, precyzyjnie zaprojektowanych komponentów9.

Połączenie przystępnego cenowo sprzętu do druku 3D i znacznego wzrostu powiązanego oprogramowania open-source sprawiło, że projektowanie i produkcja urządzeń mikroprzepływowych stała się coraz bardziej dostępna dla badaczy z różnych dyscyplin10. Jednak systemy używane do przepuszczania płynu przez te urządzenia pozostają drogie. Aby sprostać temu zapotrzebowaniu na tani system kontroli płynów, opracowaliśmy projekt, który może być wytwarzany przez naukowców w laboratorium, wymagając jedynie niewielkiej liczby etapów montażu. Pomimo taniego i prostego montażu, system ten może zapewnić precyzyjną kontrolę przepływu i stanowi alternatywę dla dostępnych na rynku systemów pomp strzykawkowych z zamkniętą pętlą, które mogą być zbyt drogie.

Tutaj udostępniamy protokoły budowy i użytkowania opracowanego przez nas systemu pomp strzykawkowych sterowanych w pętli zamkniętej (Rysunek 1). System transportu płynów składa się z fizycznej pompy strzykawkowej zainspirowanej poprzednim badaniem11, mikrokontrolera i piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia. Po zmontowaniu i zaprogramowaniu za pomocą regulatora proporcjonalno-całkowo-pochodnej (PID), system jest w stanie dostarczyć dobrze regulowany, sterowany ciśnieniem przepływ do urządzeń mikroprzepływowych. Stanowi to tanią i elastyczną alternatywę dla drogich produktów komercyjnych, umożliwiając szerszej grupie badaczy wykorzystanie mikrofluidyki w swojej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 3D-drukowanie i montaż pompy strzykawkowej

  1. Przygotuj i wydrukuj w 3D elementy pompy strzykawkowej
    1. Pobierz plik . Pliki projektowe STL z plików uzupełniających tego dokumentu.
      UWAGA: Jest sześć . Pliki STL, zatytułowane "JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl", "JoVE_Syringe_Platform.stl", "JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl", "JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl", "JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl" i "JoVE_Syringe_Pump_Traveler_Push.stl" w plikach uzupełniających. Pliki te odpowiadają wydrukowanym w 3D elementom pompy strzykawkowej.
    2. Przygotuj te pliki do druku, otwierając je w pakiecie oprogramowania przeznaczonym do konwersji plików . Pliki modelu STL do wykonywalnych zestawów instrukcji dla używanej drukarki 3D. Upewnij się, że używane jest odpowiednie oprogramowanie, ponieważ niektóre drukarki będą wymagały zastrzeżonego oprogramowania, podczas gdy inne mogą być w stanie drukować bezpośrednio z pliku . Plik STL.
    3. Drukuj elementy z tworzywa sztucznego za pomocą akrylonitrylu butadienu i styrenu (ABS) z wysokiej jakości ustawieniami drukarki 3D. Jeśli używane są inne popularne materiały do druku 3D, takie jak kwas polimlekowy (PLA) lub inne elastomery termoplastyczne, upewnij się, że końcowe właściwości mechaniczne (np. elastyczność, granica plastyczności) są porównywalne z ABS.
    4. Odłącz drukowane części od platformy drukującej drukarki 3D. Usuń wydrukowaną konstrukcję nośną z gotowych części.
      UWAGA: Konstrukcja nośna została zaprojektowana przez oprogramowanie specyficzne dla drukarki używane do konwersji . STL do wykonywalnego zestawu instrukcji dla drukarki 3D. Ilość i struktura materiału nośnego może się różnić w zależności od używanego oprogramowania.
    5. Wygładź wydrukowane elementy, szlifując ostre krawędzie papierem ściernym. Aby uzyskać najlepsze wyniki, użyj papieru ściernego o ziarnistości około 220. Przed montażem upewnij się, że wszystkie elementy są gładkie.
    6. Upewnij się, że wszystkie siedem części zostało wydrukowanych.
      UWAGA: Części te zostały nazwane w następujący sposób: (I) Złącze silnika, (II) Pchanie wózka, (III) Ogranicznik końcowy, (IV) Platforma strzykawki, (V) Zacisk strzykawki, (VI) Złącze męskie tłoka strzykawki i (VII) Złącze żeńskie tłoka strzykawki. Cyfra rzymska dla każdego składnika jest opisana w Rysunek 2A. Szczegółowa lista części mechanicznych do montażu znajduje się w Tabeli materiałów.
  2. Zmontuj pompę strzykawkową (Rysunek 2)
    1. Przymocuj silnik krokowy do pręta gwintowanego za pomocą elastycznego łącznika osi Z wału silnika ze ustalającymi. Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że obracanie wału silnika krokowego napędza pręt gwintowany bez poślizgu.
    2. Podłącz platformę strzykawki do złącza silnika, mocno wciskając kołki łączące platformy strzykawki w pasujące otwory na górze złącza silnika.
    3. Przymocuj zmontowaną część w kroku 1.2.1 do części w kroku 1.2.2, dokręcając cztery 16 mm przez złącze silnika.
    4. Włóż dwa liniowe łożyska kulkowe i nakrętkę sześciokątną 0,8 mm do otworów znajdujących się na spodzie popychacza wózka.
    5. Dopasuj pręt gwintowany na złączu silnika przez nakrętkę sześciokątną 0.8 mm w popychaczu wózka.
    6. Włóż dwa wałki liniowe przez popychacz wózka i złącze silnika.
    7. Umieść dwie nakrętki sześciokątne w sześciokątnych przestrzeniach łącznika silnika, a następnie użyj dwóch 16 mm, aby dokręcić połączenia, zabezpieczając wały liniowe przed przesuwaniem się.
    8. Włóż łożysko kulkowe do środkowego otworu ogranicznika końcowego.
    9. Połącz ogranicznik końcowy ze zmontowanymi elementami z kroku 1.2.7.
    10. Umieść dwie nakrętki sześciokątne w sześciokątnych przestrzeniach ogranicznika końcowego, a następnie użyj dwóch 16 mm, aby dokręcić połączenia, aby przymocować ogranicznik końcowy do zespołu.
    11. Przymocuj żeńskie złącze tłoka strzykawki do popychacza wózka za pomocą dwóch stalowych nakrętek zabezpieczających i dwóch 16 mm.
    12. Umieść strzykawkę o pojemności 10 ml na górze pompy. Upewnij się, że główka tłoka jest wyrównana z wycięciem żeńskiego złącza tłoka strzykawki, a górna część cylindra strzykawki jest zamocowana w gnieździe złącza silnika.
    13. Włożyć męskie złącze tłoka strzykawki do żeńskiego złącza tłoka strzykawki. Upewnij się, że między elementem męskim i żeńskim jest ciasno dopasowany, zabezpieczając tłok na miejscu.
    14. Podłącz strzykawkę clamp do platformy strzykawki za pomocą dwóch nakrętek sześciokątnych i dwóch 35 mm, upewniając się, że cylinder strzykawki jest zamocowany w szczelinie strzykawki clamp.

2. Przygotowanie urządzenia mikroprzepływowego

  1. Wytwarzanie form wzorcowych za pomocą fotolitografii
    UWAGA: Procedurę szczegółowo opisującą projektowanie i wytwarzanie form wzorcowych do produkcji urządzeń mikroprzepływowych można znaleźć w poprzedniej literaturze12.
    1. Korzystając z preferowanego oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), utwórz wymagane rysunki fotomaski i wydrukuj je na płycie szklanej lub kwarcowej.
      UWAGA: Inne materiały mogą być dopuszczalne w zależności od wymagań zastosowanego nakładki maski. Drukowanie tych fotomasek jest zwykle wykonywane przez zewnętrznego dostawcę.
    2. Użyj metod fotolitografii, aby stworzyć główną formę z fotomaski. Wykonaj tę procedurę w pomieszczeniu czystym.
    3. Wystawić wyprodukowaną formę wzorcową na działanie oparów fluorozylanu w eksykatorze próżniowym.
      UWAGA: Proces ten ułatwia uwalnianie polidimetylosiloksanu (PDMS) z formy wzorcowej podczas wytwarzania urządzeń mikroprzepływowych. Aby potraktować główną pleśń, dodaj trzy krople fluorozylanu do zlewki i umieść zlewkę w komorze próżniowej.
    4. Zastosuj próżnię na 1 minutę. Zamknij komorę próżniową, ale trzymaj formę wzorcową w komorze przez 30 minut, aby umożliwić osadzenie się fluorozylanu. Ze względów bezpieczeństwa należy wykonać tę procedurę w dygestorium, aby ograniczyć narażenie na niebezpieczne opary fluorozylanu.
  2. Produkcja urządzeń PDMS
    1. Zważyć prepolimer PDMS w łódce wagowej. Chociaż pożądana grubość końcowego urządzenia PDMS może się różnić, 30 g prepolimeru dobrze sprawdza się w przypadku formy wzorcowej o średnicy 100 mm.
    2. Odmierz i dodaj utwardzacz w stosunku 1:10 do prepolimeru. W przypadku formy wzorcowej o średnicy 100 mm dodaj 3 g utwardzacza.
    3. Energicznie wymieszaj prepolimer i utwardzacz ręcznie za pomocą jednorazowej szpatułki. Po 30 s sprawdź, czy w roztworze znajdują się małe, regularnie oddzielone pęcherzyki powietrza, wskazujące, że prepolimer i utwardzacze są dobrze wymieszane.
    4. Umieść formę wzorcową na płytce hodowlanej i ostrożnie wylej mieszaninę PDMS na wierzch formy wzorcowej.
      UWAGA: Żądana grubość urządzenia PDMS może się różnić w zależności od jego zastosowania.
    5. Odgazowywać mieszaninę w eksykatorze próżniowym przez 1 godzinę. Upewnić się, że w mieszaninie nie są widoczne żadne pęcherzyki. Jeśli są obecne pęcherzyki, szybko zwolnij podciśnienie, a następnie ponownie zastosuj próżnię. Po tej procedurze pozostaw mieszaninę na co najmniej 10 minut.
    6. Przenieś mieszaninę PDMS do piekarnika nastawionego na 90 °C. Pozostaw mieszaninę do utwardzenia przez 30 minut.
    7. Wyjmij PDMS z formy głównej. Przytnij PDMS do żądanych wymiarów za pomocą żyletki. Nosić rękawice, aby ograniczyć narażenie PDMS na zanieczyszczenia.
    8. Przebić otwory na porty wlotowe i wylotowe za pomocą igły dozującej 23 G. Aby ułatwić ten proces, spiłuj igłę metalowym pilnikiem lub papierem ściernym, aby naostrzyć końce. Upewnij się, że cylinder z nakłuwaniem PDMS jest usuwany z igły po każdym nakłuciu.
      UWAGA: Do wykrawania otworów można używać igieł o różnych rozmiarach. Upewnij się, że rozmiar jest nieco większy niż igły użyte w kroku 3 tego protokołu.
    9. Umyj PDMS przefiltrowaną wodą dejonizowaną i wysusz PDMS na powietrzu za pomocą źródła powietrza lub azotu wyposażonego w filtr 0,2 μm.
      UWAGA: Dokładne ciśnienie nie jest krytyczne, a źródło gazu pod ciśnieniem z centralnego systemu budynku dobrze sprawdza się na tym etapie.
    10. Oczyść podłoże ze szkła borokrzemianowego nr 1 środkiem powierzchniowo czynnym, takim jak detergent w proszku, i wysusz je na powietrzu za pomocą źródła powietrza pod ciśnieniem wyposażonego w filtr 0,2 μm. Należy go dokładnie wyczyścić, ponieważ szkło nakrywkowe jest często pokryte hydrofobowym smarem i nie jest w stanie związać się z PDMS, jeśli nie zostanie odpowiednio wyczyszczone.
    11. Za pomocą taśmy samoprzylepnej delikatnie dotknij PDMS, aby usunąć wszelkie resztki kurzu. Aby upewnić się, że formowane elementy nie zostaną naruszone, nie należy naciskać na taśmę z dużą siłą.
    12. Umieść urządzenie PDMS i oczyszczoną szklankę nakrywkową w tlenowym urządzeniu do czyszczenia plazmowego na 1 minutę. Upewnij się, że podczas tego procesu kolor z komory czyszczenia plazmowego jest jasny purpurowy. Upewnij się, że uformowane elementy urządzenia PDMS są odsłonięte ekranem do góry w czyszczalni plazmowej.
    13. Wyjmij PDMS i szkło nakrywkowe z myjki plazmowej i umieść szkło nakrywkowe stroną zadrukowaną do dołu na urządzeniu PDMS.
      UWAGA: Spowoduje to niemal natychmiastowe połączenie szkła nakrywającego i PDMS. Jeżeli oprawa nie jest widoczna, należy delikatnie docisnąć szkło nakrywkowe do PDMS w części PDMS pozbawionej elementów formy. Powinno to spowodować wiązanie między PDMS a szkłem nakrywkowym.
    14. Umieść urządzenie PDMS w piekarniku w temperaturze 90 °C na co najmniej 12 godzin, aby upewnić się, że PDMS i szkło nakrywkowe są dobrze połączone.

3. Zespół systemu pompy strzykawkowej sterowanej sprzężeniem zwrotnym

  1. Usuń odpowiednią długość izolacji przewodu i ekranu z elektrycznego czujnika ciśnienia za pomocą brzytwy. Zachowaj ostrożność podczas cięcia, aby upewnić się, że druty nie są zagrożone powyżej pożądanej długości. Po zdjęciu izolacji i ekranu podłącz przewody do męskich złączy prostokątnych.
  2. Stosując podobne podejście jak w poprzednim kroku, usuń 1 - 2 cm izolacji przewodu z przewodów silnika krokowego i podłącz przewody do męskich złączy prostokątnych.
  3. Umieścić strzykawkę po stronie wlotowej czujnika ciśnienia. Podłącz igłę dozującą 22 G po stronie wylotowej czujnika ciśnienia.
  4. Nasuń jeden koniec rurki o średnicy 0.51 cm na igłę dozującą 22 G dołączoną do czujnika ciśnienia.
  5. Nasuń drugi koniec rurki o średnicy 0,51 cm na igłę dozującą o wadze 22 g, którą można podłączyć do urządzenia mikroprzepływowego. Podłączyć igłę do portu wlotowego urządzenia mikroprzepływowego.
  6. Podłącz port wylotowy urządzenia mikroprzepływowego do zbiornika na odpady za pomocą igły 22 G i rurki o średnicy 0.51 cm, podobnie jak w przypadku przyłącza portu wlotowego.
  7. Zmontuj obwód elektroniczny na prototypowej płytce prototypowej zgodnie ze schematem w Rysunek 3.
    UWAGA: Ta płytka stykowa służy do kondycjonowania sygnału z czujnika ciśnienia, który ma być monitorowany przez mikrokontroler. Inne kompatybilne mikrokontrolery mogą być używane do monitorowania sygnału czujnika ciśnienia.
  8. Połącz przewody z silnika krokowego ze sterownikiem silnika krokowego. Połącz przewody od czujnika ciśnienia i sterownika silnika krokowego do płytki stykowej zgodnie ze schematem w Rysunek 3. Odsłonięte przewody od czujnika ciśnienia są oznaczone kolorami i należy je podłączyć w następujący sposób: czerwony powinien łączyć się z V+, powinien łączyć się z V-, zielony powinien łączyć się z Signal+, a biały powinien łączyć się z Signal-.
  9. Połącz sygnał wyjściowy z płytki stykowej z analogowym pinem wejściowym na mikrokontrolerze.
  10. Połącz piny wejściowe logiki ze sterownika silnika krokowego z pinami cyfrowymi na mikrokontrolerze. Wejście STEP na sterowniku silnika krokowego jest połączone z portem modulowanym szerokością impulsu (PWM) pinów cyfrowych na mikrokontrolerze, oznaczonych znakiem "~".
  11. Podłącz zasilacz do płytki stykowej zgodnie ze schematem w Rysunek 3. Ustaw zasilanie na 10 V dla płytki stykowej i sterownika silnika krokowego.

4. Kalibracja czujnika ciśnienia

UWAGA: W oparciu o wzmacniacz wybrany w tym artykule, wzór na obliczenie wzmocnienia to G = 5 + (200k/RG) gdzie RG = R1 i G = wzmocnienie wzmacniacza. Wzmocnienie wzmacniacza wynosi tutaj około 606. Wartość tę można zmienić, zmieniając rezystancję używaną dla R1. Ponadto, ponieważ poziom logiczny płytki mikrokontrolera wynosi 5 V, a oprzyrządowanie jest zasilane napięciem 10 V, prosty obwód dzielnika napięcia, R2 i R3, służy do zabezpieczenia, aby sygnał wyjściowy nie był większy niż 5 V.

  1. Pobierz i zainstaluj odpowiednie zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) dla mikrokontrolera.
  2. Pobierz kod kontrolera o nazwie "Pressure_Sensing.ino" z plików uzupełniających. Użyj tego kodu, aby uzyskać sygnał ciśnienia z podwójnych czujników ciśnienia.
    UWAGA: Kod mikrokontrolera i kontrolera użyty w tym artykule obejmuje analogowe piny wejściowe o rozdzielczości 10 bitów, które co 200 ms odczytują sygnały analogowe z czujnika ciśnienia w celu uruchomienia silników krokowych. Liczba w nawiasie analogRead() odpowiada analogowemu pinowi wejściowemu podłączonemu do sygnału wyjściowego z obwodu dzielnika napięcia w obwodzie czujnika ciśnienia w Rysunek 3. Zmienna opóźnienia reprezentuje interwał, w którym sygnał jest ponownie oceniany, a wyjście odpowiednio, w ms.
  3. Przyłóż znane ciśnienie do wlotu czujnika z zaślepionym wylotem i zmierz wynikowy sygnał wyjściowy.
    UWAGA: Prosta metoda kalibracji czujnika ciśnienia wykorzystuje zbiornik z wodą utrzymywaną na różnych wysokościach. Wykryte w ten sposób ciśnienie grawitacyjne pozwoli na kalibrację czujnika ciśnienia.
  4. Narysuj wykres z przyłożonym ciśnieniem kalibracyjnym (Pa) na osi x i sygnałem ciśnienia (V) na osi y, aby uzyskać wartość liczbową punktu przecięcia z osią y.
  5. Zastosuj tę wartość liczbową w kodzie sterownika, takim jak zmienne sensor1Offset i sensor2Offset w kodzie "Dual_Pump_PID_Control.ino" plików uzupełniających, aby skalibrować wartość ciśnienia w układzie sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

5. Przechwytywanie obrazów z urządzenia mikroprzepływowego

  1. Podłącz mikrokontroler do komputera jednopłytkowego typu open source za pomocą interfejsu szeregowego, aby obraz przechwycony przez mikrokomputer wyzwalał pomiary ciśnienia, które mają być wykonane przez mikrokontroler.
  2. Podłącz moduł kamery wykonany dla komputera jednopłytkowego do jednego z okularów mikroskopu stereoskopowego. W tym przypadku do obrazowania urządzeń mikroprzepływowych wykorzystywane jest 20-krotne powiększenie.

6. Sterowanie pompami ciśnieniowymi strzykawek

  1. Otwórz środowisko IDE dla mikrokontrolera typu open source. Pobierz biblioteki Timer.h13 i AccelStepper.h14 do katalogu bibliotek IDE mikrokontrolera.
  2. Pobierz kod kontrolera o nazwie "Dual_Pump_PID_Control.ino" z plików uzupełniających. Ten kod służy do sterowania systemem pompy strzykawkowej sterowanej sprzężeniem zwrotnym z dwiema pompami.
  3. Zaprogramuj kod kontrolera tak, aby pasował do przeprowadzanego eksperymentu. Zmodyfikuj parametry kontrolne lub parametry czasowe, aby dopasować je do pożądanej odpowiedzi i czasu trwania eksperymentu. Skompiluj i prześlij kod do mikrokontrolera przed uruchomieniem eksperymentu.
    UWAGA: W kodzie sterownika wartości setPoint1/2 służą do zmiany poziomu ciśnienia, a wartości stepper1/2Out służą do regulacji prędkości pompy. Dwie ostatnie wartości w kolumnie AccelStepper stepper1/2 odpowiadają numerowi portu na mikrokontrolerze. Zmienna milliTiming dyktuje częstotliwość odczytu sygnału analogowego z czujników ciśnienia, a zmienna printTiming dyktuje częstotliwość wysyłania wartości prędkości i ciśnienia do monitora szeregowego w celu kontroli. Wszystkie jednostki podane są w ms. Zmienna maxError jest wyznaczana na podstawie poziomu logicznego płytki mikrokontrolera. Używana jest tutaj wartość 5, ponieważ mikrokontroler w tym protokole ma napięcie 5 V.
  4. Włączyć zasilanie systemu pomp strzykawkowych. Ustaw napięcie na 10 V dla zasilania silnika krokowego.

7. Dostrajanie parametrów regulatora PID

UWAGA: Idealne wartości parametrów sterownika mogą się różnić w zależności od zastosowania i geometrii urządzenia mikroprzepływowego. Na przykład w przypadku badań długoterminowych (godziny) niższa stała proporcjonalna (Kp) może być preferowana, aby zminimalizować przeregulowanie kosztem czasu odpowiedzi. Kompromisy te zależą od warunków i celów eksperymentalnych.

  1. Dostosuj sterownik przy użyciu podejścia ręcznego, najpierw dostosowując stałą proporcjonalną (Kp), aby poprawić czas reakcji funkcji krokowej.
    UWAGA: Chociaż można stosować podejścia algorytmiczne, ręczne strojenie działa w przypadku aplikacji mikroprzepływowych przedstawionych w tym artykule.
  2. Następnie zmień parametry całki (Ki) i różnicy (Kd), aby zminimalizować przeregulowanie i zapewnić stabilność wartości zadanej.
  3. Ustaw wartości PID dla zmiennych Kp, Ki i Kd w kodzie kontrolera plików uzupełniających.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy protokół budowy systemu pompy strzykawkowej sterowanej sprzężeniem zwrotnym i demonstrujemy jego potencjalne zastosowania w zastosowaniach mikroprzepływowych. Rysunek 1 pokazuje połączony system pompy strzykawkowej, czujnika ciśnienia, urządzenia mikroprzepływowego, mikrokontrolera, obwodu czujnika ciśnienia i sterownika silnika krokowego. Szczegółowe objaśnienia dla zespołu pompy strzykawkowej są pokazane na Rysunek 2<...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj zaprezentowaliśmy nową konstrukcję systemu pompy strzykawkowej z regulacją ciśnienia w pętli zamkniętej. Osiągnięto to poprzez zintegrowanie wydrukowanej w 3D pompy strzykawkowej z piezorezystancyjnym czujnikiem ciśnienia i mikrokontrolerem typu open source. Dzięki zastosowaniu regulatora PID byliśmy w stanie precyzyjnie kontrolować ciśnienie wlotowe i zapewnić szybkie czasy reakcji przy jednoczesnym zachowaniu stabilności względem wartości zadanej.

Wiele eksperymentów z wykorzystaniem u...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy dziękują za wsparcie ze strony Biura Badań Marynarki Wojennej N00014-17-12306 i N00014-15-1-2502, a także od Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych FA9550-13-1-0108 oraz grantu National Science Foundation nr 1709238.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Arduino IDEArduino.orgOprogramowanie sterujące Arduino Uno R3
Złącze nagłówka, 2-pozycyjneDigi-KeyWM4000-ND
, 3-pozycyjneDigi-KeyWM4001-ND
, 4-pozycyjneDigi-KeyWM4002-ND
Przewód połączeniowy, 22 Gauge,Digi-Key1528-1752-ND
Przewód połączeniowy, 22 Gauge, niebieskiDigi-Key1528-1757-ND
Przewód połączeniowy, 22 Gauge, czerwonyDigi-Key1528-1750-ND
Przewód połączeniowy, 22 Gauge, białyDigi-Key1528-1768-ND
Przewód połączeniowy, 22 Gauge, żółtyDigi-Key1528-1751-ND
Wzmacniacz oprzyrządowaniaTexas InstrumentsINA122P
Mikrokontroler, Arduino Uno R3Arduino.orgA000066
Mini płytka stykowaZasilacz AmazonB01IMS0II0
CzujnikBK Precision1550
PendoTechPRESS-S-000
Złącza prostokątne, obudowyDigi-KeyWM2802-ND
prostokątny Złącza, męskieDigi-KeyWM2565CT-ND
, 10k Ohm Digi-Key1135-1174-1-ND
Rezystory, 330 Ohm Digi-Key330ADCT-ND
, EasyDriverDigi-Key1568-1108-ND
, męski na męskiB AmazonPC045
Materiał drukowany w 3D, Z-ABS ZortraxDostępne są różne kolory
Drukarka 3DZortraxM200Drukowanie elementów pompy strzykawkowej
Łożysko kulkowe, 17x6x6mmAmazonB008X18NWK
maszynowe sześciokątne, M3x16mm AmazonB00W97MTII
maszynowe z sześciokątnym, M3x35mm AmazonB00W97N2UW
Nakrętka sześciokątna, M3 0,5 AmazonB012U6PKMO
Nakrętka sześciokątna, M5 AmazonB012T3C8YQ
Tokarka okrągła Liniowe
Liniowy łącznik elastycznyB01IDKG1WO
, silnik krokowy M3 0,5AmazonB000NBKLOQ
Strzykawka, 10 mL, końcówka Luer-Lok Pręt
AmazonB01MA5XREY
1H,1H,2H,2H-PerfluorooctylotrichlorosilanFisherScientificAAL1660609
Moduł kameryRaspberry Pi FoundationV2
Kompaktowy piekarnikFisherScientificPR305220GPieczenie PDMS Mieszanina prepolimerów i urządzenie
Igła dozująca, Igła dozująca McMaster-Carr o rozmiarze 22McMaster-Carr75165A682
, Igła dozująca o rozmiarze 23McMaster-Carr75165A684
Okulary ochronne premium FisherScientific12-548-5C
Szklana miska Petriego, 130x25mmAmerykańskie produkty edukacyjne7-1500-5
Środek do czyszczeniaplazmowegoHarrick PlasmaPDC-32GWiązanie szkła nakrywkowego z urządzeniem PDMS
ŻyletkiFisherScientific7071A141 
Scotch Magic TapeAmazonB00RB1YAL6
Komputer jednopłytkowyRaspberry Pi Foundation RaspberryPi 2 model B
Inteligentna szpatułkaFisherScientificEW-06265-12
Sylgard 184 Zestaw elastomerów silikonowychFisherScientificNC9644388
Filtry strzykawkoweThermo Scientific7252520
Rurka TygonColeParmer EW-06419-01
Eksykator próżniowyFisherScientific08-594-15COdgazowywanie mieszaniny prepolimerów PDMS i powlekanie fluorozylanem na formie głównej
Naczynia do ważeniaFisherScientificS67090A
Złącze nagłówka Złącze nagłówka ciśnienia Rezystory Sterownik silnika krokowego USB 2.0 łożysko kulkowe Amazon B00AUB73HW Amazon Stalowa nakrętka blokująca Amazon B010MZ8SQU, NEMA-17, 1,8 o / krok Digi-Key 1568-1105-ND gwintowany 309604

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  2. Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
  3. Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
  4. Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
  5. Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
  6. Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
  7. Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273(2016).
  8. Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
  9. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
  10. Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
  11. Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216(2014).
  12. Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
  13. Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
  14. Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
  15. Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
  16. Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Syringe PumpPressure TransducerProgrammable MicrocontrollerAdditive ManufacturingOpen source ElectronicsLow cost Fabrication

Powiązane artykuły