Produkcja i testowanie miniaturowych automatycznych urządzeń do pułapkowania fotoforetycznego

Summary

Ta praca opisuje i charakteryzuje wytwarzanie miniaturowych automatycznych urządzeń do odłowu fotoforetycznego.

Abstract

Ten artykuł przedstawia zautomatyzowane, kompatybilne z szybkimi fabrykami, testowe pułapki fotoforetyczne, które umożliwiają demokratyzację i crowdsourcing badań nad wyświetlaniem wolumetrycznym. Platformę można zbudować w ciągu 2 godzin przy użyciu wycinarki laserowej, drukarki 3D i zwykłych narzędzi ręcznych. W swojej obecnej formie urządzenie może być używane do testowania następujących krytycznych parametrów: rodzaju cząstek, typu pułapki, apertury numerycznej i przepływu powietrza z szybkością około 250 próbek na godzinę. Przy niewielkich modyfikacjach stanowisko może być przystosowane do testowania jeszcze większego zestawu parametrów, takich jak moc lasera i długość fali lasera, w zależności od potrzeb użytkownika. Platforma może wykorzystywać widzenie maszynowe do automatycznego przechwytywania i analizy danych. Działanie i budowa stanowiska testowego są opisane za pomocą zwięzłych, łatwych do wykonania kroków. Przedstawiane są wyniki z "farmy" na stanowisku badawczym składającym się z czterech jednostek, obejmujące parametry mocy i rodzaju cząstek. Platforma ta poszerzy zakres i skład parametrów wyświetlania pułapek optycznych i badaczy dzięki dostępności i demokratyzacji.

Introduction

Wyświetlacz pułapki optycznej (OTD) umożliwia wyświetlanie geometrii widzianych w science fiction. Jego działanie polega na uwięzieniu cząstki przez fotoferezę i jej oświetleniu^1,2,3,4. Następnie, przeciągając tę cząstkę przez przestrzeń, tworzy się w powietrzu obraz, który widz postrzega jako ciągły zgodnie z trwałością wizji⁵. Ta bezekranowa technologia 3D umożliwia wyświetlanie geometrii, takich jak projekcje dalekiego rzutu, wysokie stoły piaskowe i zawijane wyświetlacze¹. Te geometrie są wyjątkowo atrakcyjne, ponieważ nie wymagają ekranu i tworzą treści, które można zobaczyć praktycznie pod każdym kątem.

Badacze z Uniwersytetu Brighama Younga odnieśli początkowy sukces w swoim systemie fotoforetycznego pułapkowania pierwszej generacji, używając ekspandera wiązki i skanerów galwanometrycznych, wraz z kilkoma lustrami i jedną lub więcej soczewkami sferycznymi do stworzenia pułapki fotoforetycznej poprzez aberrację sferyczną^1,4. Ta platforma do zalewkowania pierwszej generacji zawierała również lasery RGB (czerwono-zielono-niebieskie), które umożliwiały precyzyjne kolorowe podświetlenie wyświetlacza. Korzystając z tego systemu pułapkowania, OTD są tworzone poprzez przesuwanie pojedynczej cząstki po zawiłej ścieżce. Takie podejście ogranicza rozmiar obrazów do mniej niż centymetra sześciennego i ogranicza złożoność obrazów w czasie rzeczywistym do makiet i innej rzadkiej zawartości^6,7. Co więcej, skalowanie tej technologii jest ograniczone przez niespójność pułapkowania fotoforetycznego⁸. Jeśli pojedynczy system pułapek/cząstek może być zoptymalizowany, skalowanie wyświetlania można osiągnąć poprzez replikację zoptymalizowanej pułapki oraz synchroniczne wychwytywanie i skanowanie wielu cząstek⁹. Wszelkie problemy z pojedynczą pułapką będą potęgowane w systemie z wieloma pułapkami, dlatego staranna optymalizacja parametrów pułapki i cząstek ma kluczowe znaczenie.

Optymalizacja indywidualnego systemu pułapek/pułapek wymaga przeprowadzenia obszernych testów dla każdego parametru systemu pułapek fotoforetycznych⁷. Parametry te obejmują rodzaj cząstek (substancja, kształt, rozmiar), moc lasera, długość fali lasera oraz aperturę numeryczną (ogniskowa, średnica, nachylenie). Testowanie i eksperymentowanie metodą prób i błędów dla każdego parametru zoptymalizuje poszczególne pułapki i wiele pułapek synchronicznych. Mimo to będą wymagały zebrania dużych ilości danych.

W przeszłości badania i testy mające na celu optymalizację fotoforetycznego pułapkowania poprzez aberrację sferyczną były prowadzone tylko przez garstkę badaczy na całym świecie^1,2,3,4,5^,6,7,8,9,10. Do niedawna naukowcy z Uniwersytetu Brighama Younga polegali na jednym, dużym, drogim systemie pułapkowania do zbierania potrzebnych danych, co powodowało, że proces testowania i gromadzenia danych był powolny^1,7. Jednak od czasu wprowadzenia w 2018 r. wyświetlaczy pułapek optycznych jako rozwiązania do wizualizacji 3D¹, osoby ze wszystkich grup wiekowych i z kilku kontynentów wyraziły chęć udziału w badaniach. Ze względu na wzbudzone zainteresowanie OTD, naukowcy chcieli znaleźć sposób, aby umożliwić wszystkim zainteresowanym stronom udział w procesie badawczym. Poprzednie generacje fotoforetycznych urządzeń do pułapkowania, które zawierały rozdzielacze wiązki i galwanometry, były zbyt drogie i czasochłonne, aby produkować je masowo i crowdsource^1,6, więc potrzebne było inne rozwiązanie.

Opracowano nowy miniaturowy zestaw do pułapek fotoforetycznych, który pozwala wszystkim zainteresowanym uczestniczyć w badaniach oraz szybko testować i zbierać dane dla wszystkich istotnych parametrów wymienionych powyżej. Mogą być szybko wykonane przez każdego, kto ma dostęp do drukarki 3D i wycinarki laserowej. Ten projekt ma na celu zminimalizowanie kosztów i złożoności, ograniczenie ryzyka i maksymalizację automatyzacji, wzajemnych połączeń i elastyczności (Rysunek 1). Nowy zestaw wykorzystuje najprostszą możliwą konfigurację optyczną do pułapkowania fotoforetycznego: pojedynczy laser i soczewka¹⁰. Małe zestawy są proste w użyciu po skonfigurowaniu i mogą testować z szybkością około 250 prób na godzinę.

Dane zebrane z tych platform z testów przyszłych naukowców-amatorów i badaczy znacząco pomogą w rozwoju pułapek fotoforetycznych w ich zastosowaniu do wizualizacji 3D, umożliwiając optymalizację parametrów pułapek i indywidualnych pułapek.

Protocol

1. 3D drukowanie i laserowe cięcie wymaganych materiałów

1. Wydrukuj w 3D materiały wymienione poniżej
   1. Wydrukuj uchwyt obiektywu za pomocą drukarki 3D FDM (Fused Deposition Modeling) z filamentem (patrz tabela materiałów) zgodnie z informacjami podanymi w pliku uzupełniającym 1. Ten uchwyt obiektywu jest przeznaczony do obiektywu o średnicy 30 mm (Rysunek 2).
      UWAGA: Plik można łatwo dostosować, aby pasował do innych soczewek.
   2. Następnie wydrukuj platformę wspornikową i uchwyt (Rysunek 2) (Plik uzupełniający 2 i plik uzupełniający 3).
      UWAGA: Może to zająć ~2-14 godzin, w zależności od szczegółów wydruków. Szczegółowość odcisków nie powinna mieć wpływu na szybkość zalewkowania, jeżeli umieszczono wystarczającą ilość substancji zalewkującej (etap 5.3.4).
2. Za pomocą wycinarki laserowej 3D (patrz Tabela materiałów) wytnij elementy zestawu (Rysunek 3) (Plik uzupełniający 4-5).
   UWAGA: To cięcie można wykonać na dowolnym materiale o grubości ćwierć cala, ale zalecanym materiałem jest drewno. Plik uzupełniający 4 zawiera wymagane elementy przyponu, które mieszczą się na kawałku drewna o wymiarach 12 x 12 cali. Plik uzupełniający 5 zawiera opcjonalną osłonę/blokadę światła.
3. Za pomocą noża do szkła (patrz Tabela materiałów) przetnij standardową probówkę (o średnicy ~2.5 cm) mniej więcej na pół, tak aby połówka z dwoma otwartymi końcami miała długość ~6.5 cm.

2. Montaż drewnianych zestawów

UWAGA: Podczas montażu drewnianego zestawu, instrukcje w krokach 2.1 -2.5 mogą zawierać słowo "ślizgać się", ale elementy mogą wymagać więcej siły, aby były odpowiednio ustawione i zbudowane.

1. Umieść podstawę w dół z emblematem Y skierowanym do góry (Rysunek 1A).
2. Przytrzymaj dwie długie boczne części po obu stronach podstawy, podczas gdy pierwszy uchwyt laserowy jest wsunięty na miejsce na jednym końcu, a pierwszy uchwyt probówki po drugiej stronie (Rysunek 1B, C).
3. Z boku wsuń oba uchwyty elektromagnesu na uchwyt aparatu. Upewnij się, że uchwyty magnesów są oddalone od siebie o ~1 cm z każdej strony (Rysunek 1D).
   1. Wsuń uchwyty magnesu i uchwyt kamery jako jednostkę obok pierwszego uchwytu probówki, w odstępach. Stąd 1 cm między uchwytem probówki a pierwszym uchwytem elektromagnesu (krawędź uchwytu kamery za uchwytem elektromagnesu może służyć jako odniesienie dla 1 cm) (Rysunek 1E).
      UWAGA: Zarówno uchwyt kamery, jak i osłona świetlna nie są wymagane do podstawowego zastosowania miniaturowego systemu pułapkowania, ale oba są zalecane ze względu na jednolitość konfiguracji zestawu.
4. Następnie umieść drugi uchwyt probówki za obydwoma uchwytami elektromagnesu, tak aby między drugim uchwytem probówki a drugim uchwytem elektromagnesu był odstęp ~1 cm.
   UWAGA: W sumie pomiędzy dwoma uchwytami probówek jest ~4 cm przestrzeni (mocowanie kamery ma szerokość 4 cm, dla odniesienia do pozycjonowania) (Rysunek 1F).
   1. Jeśli używasz opcjonalnej osłony/blokady światła (plik uzupełniający 5), przesuń osłonę światła na przeciwległy koniec uchwytów probówek i uchwytów elektromagnesów od uchwytu kamery; pomoże to wyśrodkować i wyrównać probówkę i uchwyty elektromagnesu.
5. Wsuń drugi uchwyt lasera na miejsce; nie jest wymagana dokładna odległość. Zalecana odległość to 3-4 cm, ale może to wymagać zmian w zależności od długości lasera.
6. W razie potrzeby pod wszystkimi uchwytami można wsunąć szynę optyczną (patrz tabela materiałów) w celu wyrównania innych elementów systemu pułapkowania. Będzie to szczególnie przydatne do wyrównania soczewki z laserem i probówką (Rysunek 1G).
7. Umieść elektromagnes (patrz Tabela materiałów) w uchwytach elektromagnesów (Rysunek 1H).

3. Połączenie obwodu z określoną płytką mikrokontrolera

1. Podłącz monitor komputerowy, klawiaturę i mysz do płytki mikrokontrolera (patrz Tabela materiałów). Uruchom płytkę mikrokontrolera i upewnij się, że system operacyjny działa. Nie są wymagane żadne zmiany w oryginalnych konfiguracjach mikrokontrolera, chociaż w razie potrzeby można wybrać zarówno VNC (połączenie sieci wirtualnej), jak i SSH (bezpieczną powłokę). Umożliwiłoby to zdalny dostęp do mikrokontrolera.
2. Zbuduj obwód sterujący elektromagnesem za pomocą regulatora napięcia (patrz tabela materiałów), płytki stykowej i kilku przewodów (Rysunek 4A).
   UWAGA: Wszystkie numery pinów płytki mikrokontrolera są pinami GPIO (wejście i wyjście ogólnego przeznaczenia).
   1. Umieść regulator napięcia w płytce stykowej tak, aby każdy pin znajdował się w innym rzędzie, aby umożliwić prawidłowe użytkowanie.
   2. Podłącz pin wejściowy regulatora napięcia do jednego z pinów zasilania 5 V na płytce mikrokontrolera.
   3. Podłącz pin regulacyjny regulatora napięcia do GPIO 23 na płytce mikrokontrolera.
   4. Podłącz przewód wejściowy elektromagnesu do pinu wyjściowego regulatora napięcia. Następnie podłącz przewód wyjściowy elektromagnesu do bolca uziemiającego na mikrokontrolerze; Najlepiej jest to osiągnąć, używając innego rzędu w płytce stykowej, aby połączyć je za pomocą dodatkowego przewodu.

4. Wgrywanie kodu do obsługi systemu

UWAGA: Aby przesłać kod, należy postępować zgodnie z krokiem 4.1 lub krokiem 4.2. Krok 4.1 zawiera instrukcje dotyczące prostej wersji kodu, która nie korzysta z kamery. Krok 4.2 zawiera instrukcje dotyczące wersji, która korzysta z aparatu.

1. Wykonaj czynności zgodnie z instrukcjami podanymi w pliku uzupełniającym 6.
   1. Otwórz terminal i przejdź do lokalizacji, w której chcesz przechowywać potrzebne pliki. Utwórz nowy katalog na płycie mikrokontrolera, wpisując polecenie terminala "mkdir", a następnie żądaną nazwę katalogu. Ten katalog będzie używany do przechowywania plików do uruchomienia zestawu pułapek.
   2. Wstaw plik uzupełniający 6 do nowego katalogu. Szczegółowe informacje można znaleźć w sekcji readme na początku pliku. Po zmianie numeru testu na żądaną ilość program jest gotowy do uruchomienia.
      UWAGA: Ten plik zawiera jedną potrzebną zmienną o nazwie num_tries, która kontroluje, ile testów należy wykonać w jednym przebiegu. Ten plik zawsze zawiera kilka przerw, które można skrócić w celu szybszego testowania.
2. Uruchom i wyświetl SQLite na płytce mikrokontrolera, wykonując poniższe czynności. Wymaga to pliku uzupełniającego 7-11 oraz kamery i odpowiedniej wiedzy specjalistycznej.
   1. Zainstaluj potrzebne biblioteki baz danych na płytce mikrokontrolera, wpisując w terminalu "Sudo apt-get install SQLite browser" i "Sudo apt-get install sqlite3". Pozwoli to płytce mikrokontrolera na automatyczne przechowywanie wszystkich danych z testów za pomocą pliku uzupełniającego 9.
   2. Zapisz plik uzupełniający 11, skrypt kamery jako main.py w kamerze. Można to zrobić za pomocą eksploratora plików lub zintegrowanego środowiska programistycznego (IDE) opracowanego dla kamery (patrz tabela materiałów).
      UWAGA: IDE jest zalecane, ponieważ pozwala użytkownikom zobaczyć dane wyjściowe kamery, co pomaga w upewnieniu się, że kamera ustawia prawidłowe ustawianie ostrości.
   3. Podłącz kamerę do płytki mikrokontrolera. Użyj 4 pinów, w tym bolca uziemiającego z kamery. Podłącz pin uziemiający do masy płytki mikrokontrolera. Następujące piny powinny pasować, jak wspomniano poniżej:
      1. Podłącz pin kamery 8 do GPIO 19: Ten pin wysyła wyniki każdej pułapki z powrotem do pi.
      2. Podłącz pin 9 kamery do GPIO 17: Ten pin daje kamerze uprawnienia do rozpoczęcia wyszukiwania.
      3. Podłącz pin 7 kamery do GPIO 5: To jest pin stanu kamery.
   4. Utwórz katalog do przechowywania wszystkich plików. Po utworzeniu tego katalogu zapisz pliki zgodnie z informacjami zawartymi w pliku uzupełniającym 7-10 w katalogu; Zmień ich nazwy odpowiednio readme.txt, main.py, electromagnet.py i test_insert.py.
   5. Zapoznaj się z plikiem uzupełniającym 7 (ReadMe.txt).
      UWAGA: Plik readme zawiera dobre wyjaśnienie funkcji każdego pliku i zmian, które mogą być potrzebne w każdym pliku, takich jak ścieżka katalogu bazy danych.
   6. Otwórz przeglądarkę bazy danych zainstalowaną w kroku 4.2.1. Kliknij przycisk nowej bazy danych i zapisz bazę danych w tym samym katalogu, co inne pliki. Nowa baza danych musi być zgodna z nazwą pliku bazy danych znalezionego w test_insert.py.
   7. Wewnątrz bazy danych utwórz tabelę wewnątrz nowej bazy danych, aby zapisać dane. Baza danych zawiera 5 pól: parameter_type, trapped, testname, testnum i rigID.
      UWAGA: Sekcje tabeli muszą być precyzyjne, jak określono, w przeciwnym razie konieczne będzie wprowadzenie większej liczby zmian w Main.py i test_insert.py.

5. Przygotowania do testów

1. Przygotuj soczewkę, umieszczając ją w uchwycie obiektywu. Upewnij się, że obiektyw pozostaje w uchwycie podczas testowania. Tutaj może być potrzebne trochę gorącego kleju.
   UWAGA: Zestaw wymaga użycia kulistego dwuwypukłego, aby zapewnić prawidłowe uformowanie obszarów pułapki.
2. Po przygotowaniu soczewki (krok 5.1) umieść uchwyt obiektywu na szynie optycznej, a laser (patrz Tabela materiałów) w uchwycie lasera.
   UWAGA: Sugerowany laser na liście materiałów nie wymaga kalibracji przed użyciem. Okulary ochronne należy nosić za każdym razem, gdy laser jest używany.
   1. Korzystając z soczewki i lasera lub innego źródła światła, znajdź ogniskowy lasera i przesuń uchwyt soczewki wzdłuż szyny optycznej, aż punkt ogniskowy zostanie wyśrodkowany nad elektromagnesem.
      UWAGA: Ten krok ma kluczowe znaczenie dla zalewkowania; Jeśli punkt ogniskowy nie jest wyśrodkowany nad elektromagnesem, platforma wspornikowa nie podniesie cząstek do punktu ogniskowego.
   2. Zaznacz ten punkt ołówkiem na drewnianej podstawie, aby móc z niego skorzystać w przyszłości.
      UWAGA: Każdy obiektyw jest już wyposażony w pomiar ogniskowej, ale te pomiary nie zawsze są prawidłowe.
3. Przygotuj cytat z pułapki
   1. Upewnij się, że laser jest ponownie prawidłowo wyłączony.
   2. Za pomocą pistoletu do klejenia na gorąco przyklej mały magnes guzikowy (patrz Tabela materiałów) o tej samej biegunowości co elektromagnes na płaską powierzchnię platformy, tak aby elektromagnes odpychał platformę.
      UWAGA: Biegunowość magnesów musi być odpowiednio dopasowana, aby platforma była odpychana przez elektromagnes, wpychając cząstki do wiązki lasera, aby mogło dojść do uwięzienia.
   3. Weź wydrukowaną w 3D, przypominającą wspornik platformę i pokryj ją czarną folią aluminiową, która chroni platformę przed stopieniem.
      UWAGA: Można użyć zwykłej folii, ale powoduje ona zbyt duże odblaski, aby można było użyć systemu kamery. Spróbuj użyć czarnej taśmy foliowej (patrz Tabela materiałów), która działa dobrze z aparatem (Rysunek 5A). Folia jest zalecana, ponieważ można ją łatwo wymienić do testowania innych substancji, ale w razie potrzeby można użyć podobnych produktów.
   4. Po przykryciu platformy folią aluminiową, umieść wybrany przez użytkownika typ cząstek wybrany przez użytkownika do badania po skośnej stronie platformy (patrz Tabela materiałów dla opcji typu cząstek lub patrz Rysunek 6A).
   5. Delikatnie włóż ramiona wspornikowe do okrągłego uchwytu tak, aby strona magnesu była skierowana na zewnątrz. Następnie delikatnie włóż probówkę do tego samego uchwytu. Jeśli zostało to zrobione poprawnie, magnes będzie prawie dotykał szkła (Rysunek 5B).
   6. Umieść probówkę na uchwytach probówek tak, aby platforma była wyśrodkowana nad elektromagnesem. Jeśli magnes został odpowiednio przymocowany do platformy wspornikowej, wspornik powinien wydawać się być w pozycji skierowanej do góry i odpychany przez elektromagnes.
4. Umieść kamerę w uchwycie kamery, aby uchwycić wszelkie pułapki, które występują nad/wokół platformy. Następnie sprawdź dokładnie wszystkie inne pozycje (Rysunek 1I-J).

6. Rozpoczęcie testu

UWAGA: Do testowania, należy postępować zgodnie z krokiem 6.1 lub krokiem 6.2.

1. Jeśli korzystasz z instrukcji z kroku 4.1, naciśnij start w pliku lub uruchom plik normalnie z terminala.
2. Jeśli korzystasz z instrukcji z kroku 4.2, rozpocznij ten test z terminala z parametrami wymienionymi poniżej.
   1. Za pomocą poleceń terminala uruchom system plików raz w odpowiednim katalogu za pomocą polecenia "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Plik main.py znajduje się w pliku uzupełniającym 8.
   2. Zastąp test_num żądaną liczbą testów. Zastąp Parameter_type typem parametru, na którym koncentruje się test.
      UWAGA: Na przykład, gdyby przeprowadzano testy w celu określenia, który laser zasilany jest najlepszy, Parameter_type zostałby zastąpiony przez laser_power, a exact_parameter zostałby zastąpiony optyczną mocą wyjściową obecnego lasera.

Results

Głównym rezultatem osiągniętym dzięki zastosowaniu powyższego protokołu jest stworzenie miniaturowego zestawu do pułapek fotoforetycznych, który może szybko testować różne parametry. Do tej pory stanowiska te były wykorzystywane do testowania dwóch krytycznych parametrów: mocy lasera i rodzaju cząstek. Równoległa praca wielu miniaturowych platform umożliwiła naukowcom zebranie danych ze znacznie większymi próbkami w znacznie szybszym czasie.

Pierwszy test, przeprowadzony podczas opracowywania powyższego protokołu, był testem mocy lasera. Podczas tego testu użyto pojedynczego miniaturowego stanowiska, bez systemu wykrywania kamer, ponieważ nie został on jeszcze opracowany; Zamiast tego użyto kroku 4.1 z protokołu. Wymagało to obecności badacza przy zbieraniu danych dotyczących wszystkich wykrytych pułapek. Celem tego testu było określenie idealnej mocy wyjściowej lasera, aby mogło dojść do pułapki. Poprzez umieszczenie tłumika optycznego (filtra o zmiennej gęstości neutralnej) między laserem a soczewką na statywie, moc optyczna lasera została zmieniona. Rysunek 7 pokazuje wyniki tego eksperymentu. Wysoka moc wyjściowa optyczna odpowiadała wyższemu współczynnikowi zalewkowania. Laser o pełnej mocy miał najwyższy zarejestrowany współczynnik chwytania w tym teście. Test ten ograniczał się jednak do jednego lasera o maksymalnej mocy optycznej ~120 mW.

Drugi test miał na celu określenie, który materiał lub substancja będzie miała najwyższy wskaźnik pułapek. Test ten został przeprowadzony przy użyciu pojedynczego miniaturowego stanowiska testowego bez systemu wykrywania kamery. Dziesięć różnych cząstek zostało przebadanych w próbie o wielkości 100 prób dla każdej cząstki (wszystkie badane substancje można znaleźć w Tabeli Materiałów wraz z ich opisami). Wielkość próby została ograniczona do 100 osób ze względu na konieczność posiadania badacza obserwującego każdą próbę zebrania danych. Wszystkie niezbędne dane zostały zebrane w ciągu dwóch dni roboczych. Rysunek 6A pokazuje wyniki testu typu cząstki. Spośród 10 badanych typów materiałów/cząstek stwierdzono, że nanocząstki diamentu (55-75%) i toner do drukarki były dwoma najlepszymi typami cząstek z odsetkiem odpowiednio 14% i 10% (tabela 1).

Po pierwszych dwóch testach, badacze czuli się ograniczeni do pojedynczego stanowiska, które wymagało aktywnego obserwowania podczas testów; doprowadziło to do kroku 4.2 opisanego w protokole. Ta opcja obejmuje system detekcji kamer, który umożliwia użytkownikom uruchamianie kilku miniaturowych stanowisk testowych jednocześnie i nie wymaga obecności użytkownika podczas testów.

W celu przetestowania tego nowego systemu kamer, przeprowadzono zmodyfikowany ponowny test typu cząsteczki. Tylko kilka różnych typów cząstek zostało wybranych z 10 użytych początkowo do ponownego przetestowania w tym nowym teście typu cząstek. Wybrane cząstki poddano nowej rundzie testów. Korzystając z "farmy" czterech miniaturowych stanowisk testowych, każda z wybranych cząstek miała łączną wielkość próbki testowej wynoszącą 4000 prób. Po raz kolejny wszystkie niezbędne dane zostały zebrane w ciągu dwóch pełnych dni roboczych (tabela 2). Głównym celem tego ponownego testu typu cząstek było przetestowanie nowego systemu kamer. Test ten pozwolił na porównanie wyników wstępnego testu typu cząstek, w którym badacz zgłaszał pułapki, z wynikami systemu detekcji kamerowej. Wyniki testów były nieco inne niż w oryginalnych testach, ale nadal porównywalne (Rysunek 6B). Najlepszy typ cząstek z początkowego testu, nanocząstki diamentowe 55-75%, był nadal najlepszy w ponownym teście, ale miał nieco niższy współczynnik wychwytywania niż wcześniej. Różnica w wynikach wynika najprawdopodobniej z większej wielkości próby i niedoskonałego systemu detekcji kamer. Chociaż wyniki tego testu cząstek były nieco inne niż oczekiwano, podczas testowania innych parametrów, w których materiał pozostaje stały, takich jak moc lasera czy ogniskowa obiektywu, wyniki zebrane przez skrypt kamery będą wiarygodne.

Wyniki wszystkich trzech przeprowadzonych testów są względne w stosunku do stanowisk, na których zostały przeprowadzone, ale trendy znalezione w danych okażą się prawdziwe, gdy zostaną przetestowane na innych, bardziej precyzyjnych stanowiskach do testów fotoforetycznych. Miniaturowe stanowiska testowe nie są przeznaczone do całkowitego zastąpienia innych stanowisk testowych. Mają one jednak pozwolić naukowcom na szybkie i efektywne zbadanie wszystkich parametrów i możliwości w testach Edisona (prób i błędów) w celu znalezienia trendów i odkryć do dalszych badań na bardziej precyzyjnych platformach.

Rysunek 1: Postęp w budowie stanowiska z ukończonym miniaturowym stanowiskiem do testów fotoforetycznych. Rysunek odpowiada krokowi 2 i jego krokom podrzędnym. (A) Pokazuje krok 2.1. (B) Demonstruje krok 2.2, podstawę z dwoma dłuższymi bokami. (C) Pokazuje krok 2.2, ramę zestawu, podstawę z obu stron oraz pierwszy uchwyt laserowy i uchwyt probówki. (D) Krok 2.3 pokazuje uchwyt kamery połączony z obydwoma uchwytami elektromagnesu. (E) Krok 2.3.1 oferuje kombinację rysunków 1C, D. (F) Krok 2.4 dodano drugi uchwyt probówki i drugi uchwyt lasera. (G) Dodano opcjonalną osłonę światła i szynę optyczną. (H) Elektromagnes umieszczony jest w jego uchwycie. (I) Laser i probówka zostały umieszczone w swoich uchwytach. (J) Pokazuje to cały zakończony test tig bez źródła zasilania dla płytki mikrokontrolera. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Elementy wydrukowane w 3D. Na tym rysunku znajduje się uchwyt obiektywu, okrągły uchwyt platformy i platforma wspornikowa. Projekt uchwytu na soczewki wydrukowany w 3D można znaleźć w pliku uzupełniającym 1. Ten uchwyt obiektywu, po wydrukowaniu, jest przeznaczony do obiektywu o średnicy 30 mm. Plik uzupełniający 2-3 zawiera wzory uchwytu platformy i platformy. Uchwyt platformy posiada cztery zestawy, z których platforma może korzystać, ale aby platforma działała zgodnie z przeznaczeniem, platforma powinna wykorzystywać otwory wskazane na rysunku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Oznakowane laserowo wycięte kawałki. Ten rysunek oznacza kawałki Pliku Uzupełniającego 4, który zawiera plik dla wszystkich elementów wyciętych laserowo z wyjątkiem opcjonalnej osłony świetlnej. Po wydrukowaniu powinna być 1 podstawa, 2 boki, 2 uchwyty laserowe, 2 uchwyty na probówki, 2 uchwyty na elektromagnesy i 2 uchwyty na aparat fotograficzny (potrzebny jest tylko jeden). Opcjonalna osłona świetlna znajduje się w pliku uzupełniającym 5. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Regulator napięcia i obwód elektromagnesu. (A) Dla porównania, podczas budowy obwodu. Regulator napięcia ma 3 piny, regulację, wejście i wyjście. (B) Ten rysunek przedstawia ukończony obwód opisany w kroku 3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Przygotowanie platformy i cytowanie pułapki w probówce. (A) Zanim będzie można przeprowadzić testy, platforma musi być przygotowana. Zbiornik cząstek, w którym laser będzie świecił, aby wychwycić cząstki, zostanie umieszczony na platformie bezpośrednio przed testem. Czarną folię aluminiową należy położyć na platformie przed cząstkami. Zapobiega to topnieniu się lasera przez platformę. (B) Podczas badania rzeczywiste wychwytywanie cząstek następuje w probówce, zapewniając stały automatyczny ruch platformy przy każdej próbie pułapki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Test typu cząstki (ręczny) i (kamera). (A) Przeprowadzono test na 10 różnych cząstkach, aby znaleźć cząstkę o najlepszym współczynniku wychwytywania. (B) Drugi test typu cząstek przeprowadzono za pomocą systemu detekcji kamery. Tylko 4 z oryginalnych 10 cząstek zostały przetestowane. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Wyniki testu mocy lasera. Szybkość wychwytywania dla różnych poziomów mocy lasera została zmierzona podczas testu mocy lasera. Siły wyższe wytwarzały wyższe wskaźniki pułapek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

trukier (proszek)	likier (pasta)	Wolfram (12 mikronów)	Wolfram (1-5 mikronów)	Proszek aluminiowy	Toner do drukarki	grafit	Nanocząstki diamentu (95%)		Nanocząstki diamentu (55-75%)		Nigrozyna
1	cyfra arabska	cyfra arabska	1	0	3	cyfra arabska	1		5		cyfra arabska
1	3	cyfra arabska	0	1	cyfra arabska	1	2		3		1
cyfra arabska	1	1	1	0	3	1	1		3		1
cyfra arabska	1	0	cyfra arabska	0	cyfra arabska	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%

Tabela 1: Wyniki testu typu cząstek, które miałyby najlepszy współczynnik odłowu. Łączną wielkość próby wynoszącą 100 prób przeprowadzono w 4 zestawach po 25 sztuk dla każdego materiału.

Pasta z czarnego ługu	Nanocząstki diamentu 55-75%	grafit	Wolfram (12 mikronów)
2,10%	11,70%	10,60%	6,40%

Tabela 2: Wyniki testu typu cząstek przeprowadzonego za pomocą systemu wykrywania za pomocą kamery. Dane zbierane z bazy danych SQLite. Dane zostały początkowo zestawione w 4 zestawach po 1000 sztuk dla wielkości próby 4000 na materiał. Indywidualne rekordy dla każdego zestawu nie zostały skompilowane z SQLite; Zestawiono tylko łączne wartości procentowe.

Plik uzupełniający 1: File_1-Lens Holder.stl. Zawiera on plik do drukowania 3D dla uchwytu obiektywu (patrz Rysunek 2). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2: File_2-Platform.stl. Zawiera on plik do druku 3D dla platformy wspornikowej (patrz Rysunek 2). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 3: File_3-Platform Holder.stl. Zawiera on plik do druku 3D dla uchwytu platformy (patrz Rysunek 2). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 4: File_4-Rig Pieces.odg. Zawiera on plik do wycinania laserowego elementów zestawu (patrz Rysunek 1 i Rysunek 3). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 5: File_5-Light Shield.odg. Zawiera on pilnik do wycinania laserowego dla opcjonalnej osłony/blokera światła. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 6: File_6-Opt1.system.py. Zawiera on cały kod do użycia instrukcji z kroku 4.1. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 7: File_7-Opt2.Czytaj Me.txt. Zawiera on plik readme z kilkoma szczegółami dotyczącymi plików uzupełniających 8-11. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 8: File_8-Opt2.main.py. Zawiera on główny skrypt dla instrukcji znajdujących się w kroku 4.2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Zawiera on skrypt dla kroku 4.2, który steruje elektromagnesem. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Zawiera on skrypt dla kroku 4.2, który automatycznie przesyła dane do bazy danych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Zawiera on skrypt, który należy przesłać do aparatu w kroku 4.2.2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Discussion

Niniejszy protokół zawiera kilka podstawowych kroków, które mają kluczowe znaczenie dla automatycznego działania urządzenia do odłowu. Po pierwsze, elektromagnes musi być odpowiednio przymocowany do płytki mikrokontrolera za pomocą określonego obwodu. Bez elektromagnesu całkowita użyteczność miniaturowego stanowiska testowego zostaje utracona. Elektromagnes steruje każdą próbą wychwytywania, podnosząc zbiornik cząstek na platformie wspornikowej do góry na ścieżkę lasera. Każda próba zastawienia pułapki to kolejny cykl podnoszenia i opuszczania platformy.

Kamera jest używana tylko w kroku 4.2 zgodnie z opisem w protokole, ale ma to kluczowe znaczenie dla tej opcji. Krok 4.2 wymaga kamery do wykrycia, czy cząstka została uwięziona, co pozwala na zbieranie danych z wielu platform. Jeśli kamera nie zostanie prawidłowo zamocowana, zestaw nie będzie w stanie podjąć żadnej próby złapania w pułapkę.

Trzecim i najbardziej krytycznym krokiem, krokiem 5.2.1, jest wyrównanie i ustawienie ostrości lasera. Soczewkę należy umieścić tak, aby ognisko znajdowało się nad elektromagnesem. Platforma wspornikowa przejdzie przez punkt ogniskowy nad elektromagnesem, umożliwiając uwięzienie cząstek. Załóżmy, że ognisko nie jest wyśrodkowane powyżej środka elektromagnesu. W takim przypadku wyzwaniem staje się zapewnienie, że platforma wspornikowa przenosząca cząstki przejdzie przez punkt ogniskowy, tworząc pułapki. Może to prowadzić do braku pułapek. Istotne jest również, aby platforma była uniesiona nad elektromagnesem, tak aby ścieżka lasera nie stykała się stale z platformą. Może to spowodować, że aparat będzie zgłaszał fałszywe alarmy. Aby łatwiej dostosować położenie punktu ogniskowego, zaleca się użycie szyny optycznej w konfiguracji zestawu; Umożliwi to użytkownikom łatwe przesuwanie uchwytu obiektywu do tyłu lub do przodu, aby prawidłowo ustawić punkt ostrości. Laser i probówka/część wspornikowa są już wyrównane, jeśli platforma została odpowiednio zbudowana; Użycie szyny optycznej sprawi, że obiektyw będzie wyrównany z innymi częściami.

W protokole szczegółowo opisano dwie odrębne opcje, krok 4.1 i krok 4.2. Pierwsza opcja, krok 4.1, to oryginalny prosty sposób na uruchomienie miniaturowego zestawu do gwintowania. Ta opcja opiera się na ludzkim oku do wykrywania cząstek, a nie na systemie kamer. Ta opcja najlepiej nadaje się do szybkiego zbierania mniejszych zestawów danych lub w sytuacjach, gdy wymagana jest demonstracja na żywo. Pierwsza opcja została użyta podczas pierwszych dwóch eksperymentów, zanim utworzono drugą opcję. Druga opcja, krok 4.2, wykorzystuje kamerę do automatycznego wykrywania i wychwytywania, co pozwala na przeprowadzenie tysięcy testów i wprowadzenie ich do bazy danych bez nadzoru człowieka. Dokładność kamery zależy od dokładnych warunków testowania; Niektóre bardziej odblaskowe materiały, podczas testów, wydawały się mieć mniej dokładny wskaźnik wychwytywania w porównaniu z podobnymi testami wykonanymi z wykrywaniem przez ludzi. Jednak kilka parametrów w skrypcie kamery można zmienić, aby zwiększyć dokładność kamery. Dokładna dokładność kamery to coś, co można poprawić, ale nie jest to również poważny problem, ponieważ miniaturowe zestawy są przeznaczone do wstępnych testów. Drugą opcję można również łatwo zmodyfikować, aby uruchomić dwa stanowiska testowe na jednej płytce mikrokontrolera; szczegółowe informacje na temat tej modyfikacji znajdują się w pliku uzupełniającym nr 7.

Obecnie prowadzone są prace nad bardziej precyzyjną i spójną formą automatycznego wykrywania pułapek za pomocą uczenia maszynowego. Ten nowy system wykrywania oparty na uczeniu maszynowym, po ukończeniu, będzie wykorzystywał konwolucyjne sieci neuronowe do lepszego wykrywania uwięzionych cząstek ze znacznie większą dokładnością (ponad 95%), co jeszcze bardziej zwiększy wykorzystanie i wpływ, jaki takie miniaturowe stanowiska testowe mogą mieć na przyszłość badań nad wyświetlaniem pułapek fotoforetycznych.

W swojej obecnej podstawowej formie miniaturowy zestaw do odłowu jest ograniczony na kilka sposobów. Te miniaturowe platformy nie są w stanie stworzyć rzeczywistych OTD poprzez skanowanie cząstki po wystąpieniu pułapki. Projekt ogranicza również możliwość dodawania skanerów do wykorzystania w przyszłości przy tworzeniu OTD. Kolejnym ograniczeniem konstrukcji jest konieczność zastosowania dodatkowych komponentów do przeprowadzenia konkretnego testu. Na przykład zmienny tłumik optyczny został użyty do zebrania zestawów danych przy różnych poziomach optycznej mocy wyjściowej podczas testu mocy lasera. Podobnie, gdyby badacz chciał przetestować długość fali lasera w przyszłym teście, wymagałby kilku innych laserów o porównywalnej mocy optycznej i różnych długościach fal oprócz lasera użytego w tej pracy. Platforma najprawdopodobniej wymagałaby dodatkowych modyfikacji, aby utrzymać każdy laser, proces ten ograniczyłby prędkość, z jaką taki test mógłby zostać przeprowadzony, ale nadal byłby możliwy. Ten projekt jest również zdeterminowany koniecznością wydrukowania 3D nowego uchwytu na obiektyw dla każdej soczewki. Konstrukcja i zastosowanie są również ograniczone do sferycznych dwuwypukłych soczewek, które wytwarzają aberrację sferyczną, tworząc obszary, w których może wystąpić uwięzienie.

Idąc dalej, przyszłe zastosowania obejmują ciągłe testowanie i optymalizację parametrów pułapkowania fotoforetycznego. Jak pokrótce wspomniano powyżej, miniaturowy zestaw do chwytania można łatwo przekształcić w podstawowy, niedrogi system OTD, dodając skanery do sterowania osią y i osią x. Sterowane elektromagnesem dostarczanie cząstek, zastosowane w miniaturowej platformie do wychwytywania, może również zostać zaimplementowane w przyszłych zaawansowanych systemach OTD.

Miniaturowa platforma do odłowu jest ostatecznie wyjątkowa i wyjątkowa w tej dziedzinie badań, ponieważ można ją niedrogo i szybko wyprodukować, co pozwala na szybkie masowe testy. Stanowiska te mają być ubogimi systemami przeznaczonymi do wstępnego testowania i optymalizacji parametrów pułapki fotoforetycznej. Pojedynczy zestaw może testować z szybkością ~250 prób na godzinę. Wiele innych typów systemów lub urządzeń do pułapkowania fotoforetycznego zostało opracowanych tak, aby miały lepsze systemy automatyczne lub osiągały więcej, skanując cząstkę w celu stworzenia obrazu po udanej pułapce ^1,8. Te miniaturowe systemy pułapkowania nie mają na celu zastąpienia stosowania takich systemów. Mają one na celu szybkie przetestowanie parametrów i warunków pułapkowania fotoforetycznego, aby umożliwić naukowcom lepsze zrozumienie, co składa się na dobre pułapkowanie fotoforetyczne. Miniaturowe urządzenie do odłowu zdemokratyzuje badania nad pułapkami fotoforetycznymi i pozwoli na nową falę eksperymentów Edisona i postęp w tej dziedzinie badań.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sklejka 1/4 cala	NA		Rozmiar pasujący do wycinarki laserowej (zwykle 1 x 1 stopa)
Drukarka 3D FDM	Podnieś 3D	Pro 2	Wystarczy dowolny równoważny sprzęt
Wycinarka laserowa 3D Glow	Forge	Basic	Wystarczy dowolny równoważny sprzęt
Zasilacz			Zasilacz AC/DC
Alumiunum Powder	bioWORLD	10576	APS 17-30 mikronów
taśma z folii aluminiowej	LLTP BF255 (na Amazon)	w razie potrzeby można zamiast tego użyć innych rodzajów folii (folia)
			Do testowania można wykorzystać dowolną optyczną moc wyjściową i długość fali. Do odtworzenia tej pracy należy użyć 405 nm i ~120 mW
Nanocząstki diamentowe 55-75%	SkySpring Nanomaterials	0512HZ	55-75% czystości, APS 4-15 nm
Nanocząstki diamentu 95%	SkySpring Nanomateriały	0510HZ	95% czystości, APS 3-4 nm
Elektromagnes	Wuxue Wn Fang Electric	WP-P25/20
Nóż do szkła	Dyna-cut	model 500-1	Można użyć dowolnego standardowego noża do szkła lub noża do cięcia na mokro
Proszek grafitowy	AeroMarine Products		325 Mesh, APS 44 mikrony
Przewody połączeniowe	Elegoo		Druty męskie na żeńskie i przewody męskie na męskie są potrzebne
Szopa z nadwyżką	obiektywu	L8435	32 mm Daimetr, ogniskowa 80 mm. Każdy obiektyw 32 mm będzie pasował do obecnego projektu uchwytu obiektywu
Nigrosin (Formalin-Nigrosin)	Innovating Science	IS5818	30 mL , faktycznie znaleziony na Amazon
Otwórz kamerę MV	Otwórz MV	M7	Każdy odpowiednik Otwórz
Otwórz MV IDE	Otwórz MV		opcjonalnie do bezpłatnego pobrania zintegrowane środowisko programistyczne z OpenMV
Tłumik optyczny (zmienna gęstość neutralna Filtry)	THORLABS	NDC-100C-2
Szyna optyczna	THORLABS	RLA1200	12-calowa szyna optyczna
Toner do drukarki (CISinks Universal Toner)	CISinks		TN420, TN450, TN540, TN660, TN720 Toner w proszku. Znalezione na Amazon
Raspberry Pi	Raspberry PI	Pi-4 Model B	Powinno wystarczyć dowolne Pi 3 lub 4, model B lub B+ (odnoszone w tekście jako płytka mikrokontrolera)
Proszek wolframowy 12 mikronów	Alfa Aesar	10401-22	APS 12 mikronów
Proszek wolframowy 1-5 mikronów	Alfa Aesar	10400-22	APS 1-5 mikronów
Przewód			Wystarczy dowolna firma/model
Regulator napięcia	STMicroelectronics	LM317t