Artykuł metodologiczny

Produkcja i testowanie miniaturowych automatycznych urządzeń do pułapkowania fotoforetycznego

5.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/63113

⸱

23 listopada 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Electrical Engineering, Brigham Young University

W tym artykule

Podsumowanie

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

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

Wyświetlacz pułapki optycznej (OTD) umożliwia wyświetlanie geometrii widzianych w science fiction. Jego działanie polega na uwięzieniu cząstki przez fotoferezę i jej oświetleniu1,2,3,4. 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 sferyczną1,4. 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 zawartości6,7. 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 świecie1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. 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 powolny1,7. 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 crowdsource1,6, 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.

Protokół

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.

Wyniki

Głównym wynikiem uzyskanym dzięki zastosowaniu powyższego protokołu jest stworzenie miniaturowego zestawu do pułapkowania fotoforetycznego, który umożliwia szybkie testowanie różnych parametrów. Do tej pory zestawy te były wykorzystywane do badania dwóch kluczowych parametrów: mocy lasera oraz rodzaju cząsteczek. Równoległe prowadzenie wielu miniaturowych zestawów pozwoliło badaczom na zebranie danych dla znacznie większych prób w znacznie krótszym czasie.

Pierwszym badaniem, przeprowadzonym podczas opracowywania powyższego protokołu, był test mocy lasera. W trakcie tego testu wykorzystano pojedynczy zestaw miniaturowy, bez systemu detekcji kamerą, ponieważ nie został on jeszcze opracowany; zamiast tego zastosowano krok 4.1 z protokołu. Wymagało to obecności badacza w celu gromadzenia danych o wszystkich detekcjach w pułapkach. Celem tego testu było określenie optymalnej mocy wyjściowej lasera umożliwiającej przeprowadzenie pułapkowania. Poprzez umieszczenie tłumika optycznego (zmiennego filtra neutralnego) pomiędzy laserem a soczewką w zestawie, zmieniano moc optyczną lasera. Rysunek 7 przedstawia wyniki tego eksperymentu. Wysoka moc optyczna wyjściowa odpowiadała wyższemu wskaźnikowi pułapkowania. Laser przy pełnej mocy wykazał najwyższy zarejestrowany wskaźnik pułapkowania w tym teście. Jednakże badanie to było ograniczone do jednego lasera o maksymalnej mocy optycznej ~120 mW.

Drugi test miał na celu określenie, który materiał lub substancja wykaże najwyższy wskaźnik wychwytywania. Test ten przeprowadzono przy użyciu pojedynczego miniaturowego zestawu testowego bez systemu detekcji kamerą. Przebadano dziesięć różnych cząstek, przyjmując próbę 100 prób dla każdej z nich (wszystkie badane substancje znajdują się w Tabela materiałów (wraz z ich opisami). Wielkość próby została ograniczona do 100 osób ze względu na konieczność nadzorowania każdej próby przez badacza w celu zebrania danych. Wszystkie niezbędne dane zostały zebrane w ciągu dwóch dni roboczych. Rycina 6A przedstawia wyniki testu rodzaju cząstek. Spośród 10 przetestowanych materiałów/rodzajów cząstek stwierdzono, że nanodiamenty (55-75%) oraz toner do drukarek były dwoma najlepszymi rodzajami cząstek, z wartościami odpowiednio 14% i 10% (Tabela 1).

Po pierwszych dwóch testach badacze uznali, że korzystanie z pojedynczego zestawu, który wymagał aktywnego nadzoru podczas badania, jest ograniczające; doprowadziło to do wprowadzenia kroku 4.2 opisanego w protokole. Opcja ta obejmuje system detekcji kamerą, który umożliwia użytkownikom jednoczesne uruchomienie kilku miniaturowych zestawów testowych i nie wymaga obecności operatora podczas przeprowadzania badań.

W celu przetestowania nowego systemu kamer przeprowadzono zmodyfikowany test ponowny rodzaju cząsteczek. Do ponownego badania w ramach tego nowego testu wybrano tylko kilka różnych rodzajów cząsteczek z 10 użytych początkowo. Wybrane cząsteczki poddano nowej serii testów. Wykorzystując „farmę” składającą się z czterech miniaturowych stanowisk testowych, dla każdego z wybranych rodzajów cząsteczek uzyskano całkowitą wielkość próbki wynoszącą 4000 prób. Ponownie wszystkie niezbędne dane zebrały się w ciągu dwóch pełnych dni roboczych (Tabela 2). Głównym celem tego ponownego testu rodzaju cząsteczek była weryfikacja nowego systemu kamer. Badanie to pozwoliło na porównanie wyników z początkowego testu rodzaju cząsteczek, w którym badacz raportował pułapki, z wynikami uzyskanymi przez system detekcji kamerowej. Wyniki testów różniły się nieznacznie od wyników pierwotnych, lecz nadal były porównywalne (Rysunek 6B). Najlepszy rodzaj cząsteczek z początkowego testu, nanocząsteczki diamentowe 55-75%, nadal okazał się najlepszy w teście ponownym, choć wykazał nieco niższą wydajność pułapkowania niż poprzednio. Różnica w wynikach wynika najprawdopodobniej z większej wielkości próby oraz niedoskonałości systemu detekcji kamerowej. Chociaż wyniki tego testu cząsteczek różniły się nieznacznie od oczekiwanych, to przy testowaniu innych parametrów, w których materiał pozostaje stały, takich jak moc lasera czy ogniskowa soczewki, wyniki zbierane przez skrypt kamery będą wiarygodne.

Wyniki wszystkich trzech przeprowadzonych testów są relatywne względem zestawów, na których zostały wykonane, jednak trendy zaobserwowane w danych okażą się prawdziwe przy testowaniu na innych, bardziej precyzyjnych zestawach do badań fotoforezy. Miniaturowe zestki testowe nie mają na celu całkowitego zastąpienia innych urządzeń badawczych. Mają one jednak umożliwić badaczom szybkie i efektywne badanie wszystkich parametrów oraz możliwości w ramach testów edisonowskich (metodą prób i błędów), aby zidentyfikować trendy i dokonać odkryć, które będą przedmiotem dalszych badań na bardziej precyzyjnych zestawach.

Proces montażu spektrometru DIY i końcowa konfiguracja do analizy optycznej w eksperymentach spektroskopowych.
Rysunek 1: Postęp prac nad ukończonym miniaturowym zestawem do testów fotoforetycznych. Rysunek odpowiada krokowi 2 i jego podpunktom. (A) Przedstawia krok 2.1. (B) Demonstruje krok 2.2, podstawę z dwoma długimi bokami. (C) Przedstawia krok 2.2, ramę zestawu, podstawę z oboma bokami oraz pierwszy uchwyt lasera i uchwyt probówki. (D) Krok 2.3 pokazuje uchwyt kamery połączony z oboma uchwytami elektromagnesów. (E) Krok 2.3.1 przedstawia kombinację rysunków 1C i 1D. (F) Krok 2.4, dodano drugi uchwyt probówki i drugi uchwyt lasera. (G) Dodano opcjonalną osłonę świetlną i szynę optyczną. (H) Elektromagnes został umieszczony w uchwycie. (I) Laser i probówka zostały umieszczone w swoich uchwytach. (J) Przedstawia cały ukończony zestaw testowy bez źródła zasilania dla płytki mikrokontrolera. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Uchwyty soczewki i platformy, belka wspornikowa, magnes; schemat układu optycznego do badania równowagi statycznej.
Rycina 2: Elementy wydrukowane w technologii 3D. Na rysunku przedstawiono uchwyt soczewki, uchwyt okrągłej platformy oraz platformę wspornikową. Projekt wydrukowanego w 3D uchwytu soczewki znajduje się w Pliku uzupełniającym 1. Wydrukowany uchwyt jest przeznaczony dla soczewki o średnicy 30 mm. Pliki uzupełniające 2-3 zawierają projekty uchwytu platformy oraz samej platformy. Uchwyt platformy posiada cztery zestawy gniazd, z których może korzystać platforma, jednak aby urządzenie działało zgodnie z założeniami, platforma powinna być zamocowana w otworach wskazanych na rysunku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat zestawu spektroskopowego z laserem, probówką, elektromagnesem i uchwytami do kamer do pomiarów.
Rycina 3: Opisane elementy wycinane laserowo. Na tej rycinie opisano elementy z Pliku uzupełniającego 4, który zawiera plik dla wszystkich elementów wycinanych laserowo z wyjątkiem opcjonalnej osłony świetlnej. Po wydrukowaniu powinny powstać: 1 podstawa, 2 boki, 2 uchwyty laserowe, 2 uchwyty do probówek, 2 uchwyty do elektromagnesów i 2 uchwyty do kamer (wymagany jest tylko jeden). Opcjonalną osłonę świetlną można znaleźć w Pliku uzupełniającym 5. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ regulacji napięcia na płytce stykowej; konfiguracja połączenia Raspberry Pi; użycie GPIO i tranzystora.
Rycina 4: Stabilizator napięcia i obwód elektromagnesu. (A) Schemat pomocniczy do budowy układu. Stabilizator napięcia posiada 3 piny: regulacji (adjust), wejściowy (input) i wyjściowy (output). (B) Na rysunku przedstawiono kompletny układ opisany w kroku 3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Elektrody superkondensatora; schemat montażu; badania nad magazynowaniem energii; komponenty prototypu.
Rysunek 5: Przygotowanie platformy i miejsce pułapki w probówce. (A) Przed przystąpieniem do testów należy przygotować platformę. Zbiornik z cząsteczkami, w który będzie świecił laser w celu ich wychwycenia, należy umieścić na platformie bezpośrednio przed testowaniem. Przed cząsteczkami na platformie należy położyć czarną folię aluminiową. Zapobiega to przetopieniu platformy przez laser. (B) Podczas testowania właściwe wychwytywanie cząsteczek odbywa się wewnątrz probówki, co zapewnia spójny, automatyczny ruch platformy przy każdej próbie pułapkowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres porównawczy średniej szybkości wychwytywania; detekcja substancji metodą manualną a metodą kamerową.
Rycina 6: Test rodzaju cząsteczek (manualny) i (kamerowy). (A) Przeprowadzono test 10 różnych cząsteczek w celu znalezienia cząsteczki o najlepszej szybkości wychwytywania. (B) Drugi test rodzaju cząsteczek przeprowadzono z wykorzystaniem systemu detekcji kamerowej. Przetestowano tylko 4 z pierwotnych 10 cząsteczek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres szybkości chwytania w funkcji poziomu mocy; kluczowe pojęcie: wydajność chwytania, wyniki analizy danych.
Rysunek 7: Wyniki testu mocy lasera. Podczas testu mocy lasera zmierzono szybkość chwytania dla różnych poziomów mocy lasera. Wyższe moce skutkowały wyższymi szybkościami chwytania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Ług czarny (proszek)Ług czarny (pasta)Wolfram (12 µm)Wolfram (1-5 µm)Proszek aluminiowyToner do drukarkiGrafitNanocząstki diamentu (95%)Nanocząstki diamentu (55-75%)Nigrozyna
1221032152
1320121231
2111031131
2102020130
675411045144
6.00%7.00%5.00%4.00%1.00%10.00%4.00%5.00%14.00%4.00%

Tabela 1: Wyniki testu rodzaju cząsteczek w celu wyłonienia tej o najwyższym współczynniku wychwytywania. Całkowita liczebność próby wynosząca 100 prób została przeprowadzona w 4 seriach po 25 dla każdego materiału.

Pasta z czarnego ługuNanocząstki diamentu 55-75%GrafitWolfram (12 mikronów)
2.10%11.70%10.60%6.40%

Tabela 2: Wyniki testu rodzaju cząsteczek przeprowadzonego z wykorzystaniem systemu detekcji kamerowej. Dane pobrane z bazy danych SQLite. Dane zostały początkowo zgromadzone w 4 zestawach po 1000 próbek, co dało wielkość próby 4000 na materiał. Pojedyncze rekordy dla każdego zestawu nie zostały pobrane z SQLite; zestawiono jedynie całkowite wartości procentowe.

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

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

Plik uzupełniający 4: File_4-Rig Pieces.odg. Zawiera on plik do cięcia laserowego elementów zestawu (patrz Rycina 1 oraz Rycina 3). Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

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

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

Plik uzupełniający 7: File_7-Opt2.Read 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 do instrukcji opisanych w kroku 4.2. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.

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

Plik uzupełniający 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Zawiera on skrypt do 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 kamery podczas kroku 4.2.2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

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.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe od National Science Foundation. Nagroda NSF ID-1846477.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Sklejka 1/4 calaNARozmiar pasujący do wycinarki laserowej (zwykle 1 x 1 stopa)
Drukarka 3D FDMPodnieś 3DPro 2Wystarczy dowolny równoważny sprzęt
Wycinarka laserowa 3D GlowForgeBasicWystarczy dowolny równoważny sprzęt
ZasilaczZasilacz AC/DC
Alumiunum PowderbioWORLD10576APS 17-30 mikronów
taśma z folii aluminiowejLLTP 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 Nanomaterials0512HZ55-75% czystości, APS 4-15 nm
Nanocząstki diamentu 95%SkySpring Nanomateriały0510HZ95% czystości, APS 3-4 nm
ElektromagnesWuxue Wn Fang ElectricWP-P25/20
Nóż do szkłaDyna-cutmodel 500-1Można użyć dowolnego standardowego noża do szkła lub noża do cięcia na mokro
Proszek grafitowyAeroMarine Products325 Mesh, APS 44 mikrony
Przewody połączenioweElegooDruty męskie na żeńskie i przewody męskie na męskie są potrzebne
Szopa z nadwyżkąobiektywuL843532 mm Daimetr, ogniskowa 80 mm. Każdy obiektyw 32 mm będzie pasował do obecnego projektu uchwytu obiektywu
Nigrosin (Formalin-Nigrosin)Innovating ScienceIS581830 mL , faktycznie znaleziony na Amazon
Otwórz kamerę MVOtwórz MVM7Każdy odpowiednik Otwórz
Otwórz MV IDEOtwórz MVopcjonalnie do bezpłatnego pobrania zintegrowane środowisko programistyczne z OpenMV
Tłumik optyczny (zmienna gęstość neutralna Filtry)THORLABSNDC-100C-2
Szyna optycznaTHORLABSRLA120012-calowa szyna optyczna
Toner do drukarki (CISinks Universal Toner)CISinksTN420, TN450, TN540, TN660, TN720 Toner w proszku. Znalezione na Amazon
Raspberry PiRaspberry PIPi-4 Model BPowinno wystarczyć dowolne Pi 3 lub 4, model B lub B+ (odnoszone w tekście jako płytka mikrokontrolera)
Proszek wolframowy 12 mikronówAlfa Aesar10401-22APS 12 mikronów
Proszek wolframowy 1-5 mikronówAlfa Aesar10400-22APS 1-5 mikronów
PrzewódWystarczy dowolna firma/model
Regulator napięciaSTMicroelectronicsLM317t
5 V ług, produkt uboczny pochodzący z recyklingu, powstający podczas roztwarzania drewna Magnes guzikowy Mealos 8 x 2 mm Laser klasy 3B 405 nm (laser rurowy)M-16A405-300-G kamerę MV powinna działać USB do Micro USB

Bibliografia

  1. Smalley, D., et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
  2. Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
  3. Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
  4. Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
  5. Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11(2017).
  6. Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (2018).
  7. Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
  8. Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02(2018).
  9. Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
  10. Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).

Przedruki i uprawnienia

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

Poproś o pozwolenie

Tagi

Uk ad pu apki optycznejtestowanie mocy laseratestowanie rodzaj w cz stekbadania nad wy wietlaczami wolumetrycznymizautomatyzowany pomiar danychanaliza wizyjna maszynowaobw d sterowania elektromagnesemplatforma drukowana w 3Dbezpiecze stwo laserowe

Powiązane artykuły