Summary
Dette arbejde beskriver og karakteriserer fremstillingen af miniature automatiske fotoforetiske fangstrigge.
Abstract
Dette papir præsenterer en automatiseret, hurtig-fab-kompatibel, fotoforetisk fælde testrig for at muliggøre demokratisering og crowdsourcing af volumetrisk displayforskning. Riggen kan konstrueres inden for 2 timer ved hjælp af en laserskærer, 3-dimensionel (3D) printer og almindeligt håndværktøj. I sin nuværende form kan riggen bruges til at teste følgende kritiske parametre: partikeltype, fældetype, numerisk blænde og luftstrøm med en hastighed på ca. 250 prøver i timen. Med mindre ændringer kan riggen laves til at teste et endnu større sæt parametre, såsom lasereffekt og laserbølgelængde, afhængigt af brugerens behov. Riggen kan bruge maskinsyn til automatiseret datafangst og analyse. Betjeningen og konstruktionen af testriggen er beskrevet med kortfattede, nemme at følge trin. Resultater fra en fire-enhed testrig 'farm', der dækker effekt- og partikeltypeparametrene, rapporteres. Denne platform vil udvide omfanget og sammensætningen af optiske fældevisningsparametre og forskere gennem tilgængelighed og demokratisering.
Introduction
Det optiske fældedisplay (OTD) muliggør de displaygeometrier, der ses i science fiction. Det fungerer ved at fange en partikel gennem fotoferese og belyse partiklen1,2,3,4. Derefter danner det at trække denne partikel gennem rummet et billede i luften, som seeren opfatter som kontinuerligt i henhold til visionens vedholdenhed5. Denne skærmløse 3D-teknologi gør det muligt at vise geometrier såsom projektioner med langt kast, høje sandborde og wrap-around-skærme1. Disse geometrier er unikt overbevisende, fordi de ikke kræver nogen skærm og skaber indhold, der kan ses fra stort set alle vinkler.
Forskere ved Brigham Young University fandt indledende succes i deres første generations fotoforetiske fangstsystem ved at bruge en stråleekspeder og galvanometerscannere sammen med flere spejle og en eller flere sfæriske linser til at skabe en fotoforetisk fælde gennem sfærisk aberration1,4. Denne første generations fangstrig indeholdt også RGB (rød-grøn-blå) lasere for at give mulighed for præcis farvet skærmbelysning. Ved hjælp af dette fangstsystem oprettes OTD'er ved at flytte en enkelt partikel gennem en indviklet sti. Denne tilgang begrænser størrelsen på billeder til under en kubikcentimeter og begrænser kompleksiteten af realtidsbilleder til wireframes og andet sparsomt indhold6,7. Desuden er skaleringen af denne teknologi begrænset af inkonsekvensen af fotoforetisk fangst8. Hvis et enkelt fælde-/partikelsystem kan optimeres, kan skalering af displayet opnås ved at replikere en optimeret fælde og synkront fange og scanne flere partikler9. Eventuelle problemer med en enkelt fælde vil blive forværret i et multi-trap system, så omhyggelig optimering af fælde- og partikelparametre er kritisk.
Optimeringen af et individuelt fælde-/fældesystem kræver omfattende test for hver parameter i det fotoforetiske fældesystem7. Sådanne parametre indbefatter partikeltype (stof, form, størrelse), lasereffekt, laserbølgelængde og numerisk blænde (brændvidde, diameter, hældning). Test og eksperimentering gennem forsøg og fejl for hver parameter optimerer individuelle fælder og flere synkrone fælder. Alligevel vil de kræve, at der indsamles store mængder data.
Tidligere er forsknings- og testprocessen til optimering af fotoforetisk fangst gennem sfærisk aberration kun blevet udført af en håndfuld forskere over hele verden1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Indtil for nylig har forskere ved Brigham Young University været afhængige af et enkelt, stort, dyrt fældesystem til at indsamle de nødvendige data, hvilket fik processen med at teste og indsamle data til at være langsom1,7. Men siden introduktionen af optiske fældeskærme som en løsning til 3D-visualisering i 20181 har personer i alle aldersgrupper og fra flere kontinenter udtrykt ønske om at deltage i forskningen. På grund af den genererede interesse for OTD'er har forskere ønsket at finde en måde at give alle interesserede parter mulighed for at deltage i forskningsprocessen. Tidligere generationer af fotoforetiske fangstrigge, der indeholdt strålesplittere og galvanometre, var for dyre og tidskrævende til at masseproducere og crowdsource1,6, så der var behov for en anden løsning.
Der er udviklet en ny miniature fotoforetisk fangstrig, som gør det muligt for alle interesserede parter at deltage i forskning og hurtigt teste og indsamle data for alle væsentlige parametre, der er nævnt ovenfor. De kan fremstilles hurtigt af alle, der har adgang til en 3D-printer og laserskærer. Dette design forsøger at minimere omkostninger og kompleksitet, mindske risikoen og maksimere automatisering, sammenkobling og fleksibilitet (figur 1). Den nye rig anvender den mest enkle optiske opsætning til fotoforetisk fangst muligt: en enkelt laser og linse10. De små rigge er enkle at bruge, når de er sat op, og kan teste med en hastighed på cirka 250 forsøg i timen.
De data, der indsamles fra disse rigge fra test af fremtidige borgerforskere og forskere, vil betydeligt hjælpe med at udvikle fotoforetisk fangst i brugen til 3D-visualisering ved at muliggøre optimering af fangstparametre og individuelle fælder.
Protocol
1.3D udskrivning og laserskæring af de krævede materialer
- 3D-print nedenstående materialer
- Udskriv objektivholderen ved hjælp af en filament FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printer (se Tabel over materialer) i henhold til oplysningerne i Supplerende fil 1. Denne objektivholder er til et objektiv med en diameter på 30 mm (diameter) (figur 2).
BEMÆRK: Filen kan let tilpasses, så den passer til andre objektiver. - Udskriv derefter udkragningsplatformen og holderen (figur 2) (supplerende fil 2 og supplerende fil 3).
BEMÆRK: Dette kan tage ~ 2-14 timer, afhængigt af detaljerne i udskrifterne. Detaljerne i udskrifterne bør ikke påvirke fangsthastigheden, hvis der er anbragt nok af fangststoffet (trin 5.3.4).
- Udskriv objektivholderen ved hjælp af en filament FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printer (se Tabel over materialer) i henhold til oplysningerne i Supplerende fil 1. Denne objektivholder er til et objektiv med en diameter på 30 mm (diameter) (figur 2).
- Brug en 3D-laserskærer (se materialetabel) til at skære rigstykkerne ud (figur 3) (supplerende fil 4-5).
BEMÆRK: Dette snit kan udføres på ethvert materiale med kvart tommer tykkelse, men træ er det anbefalede materiale. Supplerende fil 4 indeholder de nødvendige rigstykker, der passer på et 12 x 12 i stykke træ. Supplerende fil 5 indeholder et valgfrit lysskjold / blokering. - Brug en glasskærer (se Materialetabel) til at skære et standard reagensglas (~ 2,5 cm i diameter) omtrent i halvdelen, så halvdelen med to åbne ender er ~ 6,5 cm lang.
2. Montering af trærigge
BEMÆRK: Under montering af træriggen kan instruktionerne i trin 2.1 -2.5 sige "glide", men stykker kan kræve mere kraft for at blive placeret og bygget korrekt.
- Placer bundstykket nedad med Y-emblemet vendt op (figur 1A).
- Hold de to lange sidestykker på hver side af basen, mens den første laserholder glider ind på plads i den ene ende og den første reagensglasholder på den anden side (figur 1B,C).
- Skub begge elektromagnetholdere ud til siden på kameraholderen. Sørg for, at magnetholderne er adskilt med ~1 cm på hver side (figur 1D).
- Skub magnetholderne og kameraholderen som en enhed ved siden af den første reagensglasholder med mellemrum. Derfor 1 cm mellem reagensglasholderen og den første elektromagnetholder (kanten af kameraholderen forbi elektromagnetholderen kan tjene som reference for 1 cm) (figur 1E).
BEMÆRK: Både kameraholderen og lysskærmen er ikke nødvendige til den primære brug af miniaturefangstsystemet, men begge anbefales for ensartetheden af rigopsætningen.
- Skub magnetholderne og kameraholderen som en enhed ved siden af den første reagensglasholder med mellemrum. Derfor 1 cm mellem reagensglasholderen og den første elektromagnetholder (kanten af kameraholderen forbi elektromagnetholderen kan tjene som reference for 1 cm) (figur 1E).
- Placer derefter den anden reagensglasholder efter begge elektromagnetholdere, så der er ~ 1 cm mellemrum mellem den anden reagensglasholder og den anden elektromagnetholder.
BEMÆRK: I alt er der mellem de to reagensglasholdere ~4 cm plads (kameraholderen har en bredde på 4 cm, for en positioneringsreference) (figur 1F).- Hvis du bruger den valgfri lysskærm/blokering (supplerende fil 5), skal du skubbe lysskærmen over på den modsatte ende af reagensglasholderne og elektromagnetholderne fra kameraholderen. dette vil hjælpe med at centrere og justere reagensglasset og elektromagnetholderne.
- Skub den anden laserholder på plads; ingen nøjagtig afstand er påkrævet. Den anbefalede afstand er 3-4 cm, men det kan være nødvendigt at variere afhængigt af laserens længde.
- Hvis det ønskes, kan en optisk skinne (se materialetabel) skubbes under alle holderne for at justere andre elementer i fangstsystemet. Dette vil især være nyttigt til justering af linsen med laseren og reagensglasset (figur 1G).
- Anbring elektromagneten (se materialetabellen) i elektromagnetholderne (figur 1H).
3. Tilslutning af kredsløbet med det specificerede mikrocontrollerkort
- Tilslut en computerskærm, et tastatur og en mus til mikrocontrollerkortet (se Materialetabel). Start mikrocontrollerkortet og sørg for, at operativsystemet fungerer. Der kræves ingen ændringer i de oprindelige mikrocontrollerkonfigurationer, selvom både VNC (virtuel netværksforbindelse) og SSH (sikker skal) kan vælges, hvis det ønskes. Dette ville give fjernadgang til mikrocontrolleren.
- Byg elektromagnetstyringskredsløbet ved hjælp af en spændingsregulator (se materialetabel), et brødbræt og et par ledninger (figur 4A).
BEMÆRK: Alle pinnumre til mikrocontrollerkortet er GPIO-stifterne (general purpose input and output).- Placer spændingsregulatoren i brødbrættet, så hver stift er i en anden række for at muliggøre korrekt brug.
- Før spændingsregulatorens indgangsstift til en af 5V-strømstifterne på mikrocontrollerkortet.
- Før justeringsstiften på spændingsregulatoren til GPIO 23 på mikrocontrollerkortet.
- Tilslut elektromagnetens indgangsledning til spændingsregulatorens udgangsstift. Tilslut derefter elektromagnetens udgangsledning til en jordstift på mikrocontrolleren; dette opnås bedst, når du bruger en anden række i brødbrættet til at forbinde de to ved hjælp af en ekstra ledning.
4. Upload af koden til drift af systemet
BEMÆRK: For at uploade koden skal enten trin 4.1 eller trin 4.2 følges. Trin 4.1 indeholder instruktioner til den enkle version af koden, der ikke bruger et kamera. Trin 4.2 indeholder instruktioner til den version, der bruger et kamera.
- Udfør trinnene i overensstemmelse med instruktionerne i Supplerende fil 6.
- Åbn terminalen, og naviger til placeringen for at gemme de nødvendige filer. Opret en ny mappe på mikrocontrollerkortet ved at skrive terminalkommandoen 'mkdir' efterfulgt af det ønskede katalognavn. Denne mappe vil blive brugt til at gemme filerne til at køre fælderiggen.
- Indsæt supplerende fil 6 i den nye mappe. Se afsnittet om tilbagemelting i begyndelsen af filen for at få flere oplysninger. Efter at have ændret testnummeret til det ønskede beløb, er programmet klar til at køre.
BEMÆRK: Denne fil indeholder en nødvendig variabel kaldet num_tries som styrer, hvor mange tests der skal udføres i en kørsel. Denne fil indeholder altid et par pauser, som kan forkortes for hurtigere tests.
- Kør og se SQLite på mikrocontrollerkortet ved at følge nedenstående trin. Dette kræver supplerende fil 7-11 og et kamera og den relevante ekspertise.
- Installer de nødvendige databasebiblioteker på mikrocontrollerkortet ved at indtaste terminalen 'Sudo apt-get install SQLite browser' og 'Sudo apt-get install sqlite3'. Dette gør det muligt for mikrocontrollerkortet automatisk at gemme alle data fra testene ved hjælp af supplerende fil 9.
- Gem supplerende fil 11, kameraets script som main.py på kameraet. Dette kan gøres gennem en filudforsker eller det integrerede udviklingsmiljø (IDE), der er udviklet til kameraet (se Tabel over materialer).
BEMÆRK: IDE anbefales, fordi det giver brugerne mulighed for at se kameraets output, hvilket hjælper, når det sikres, at kameraet fokuserer korrekt. - Tilslut kameraet til mikrocontrollerkortet. Brug 4 stifter, inklusive jordstiften fra kameraet. Tilslut jordstiften til jorden på mikrocontrollerkortet. Følgende stifter skal matche som nævnt nedenfor:
- Tilslut kamerastift 8 til GPIO 19: Denne stift sender resultaterne af hver fælde tilbage til pi'en.
- Tilslut kamerastift 9 til GPIO 17: Denne nål giver kameraet tilladelse til at begynde at søge.
- Tilslut kamerastift 7 til GPIO 5: Dette er kameraets statusstift.
- Opret en mappe til at gemme alle filerne. Når du har oprettet denne mappe, skal du gemme filerne som angivet i supplerende fil 7-10 i mappen; omdøbe dem til henholdsvis readme.txt, main.py, electromagnet.py og test_insert.py.
- Læs supplerende fil 7 (ReadMe.txt).
BEMÆRK: Readme-filen giver en god forklaring på, hvad hver fil gør, og de ændringer, der kan være nødvendige på hver fil, såsom databasens katalogsti. - Åbn den databasefremviser, der blev installeret i trin 4.2.1. Klik på knappen Ny database , og gem databasen i samme mappe som de andre filer. Den nye database skal svare til navnet på den databasefil, der findes i test_insert.py.
- Inde i databasen skal du oprette en tabel inde i den nye database for at gemme dataene. Databasen har 5 felter, parameter_type, fanget, testnavn, testnum og rigID.
BEMÆRK: Tabelafsnittene skal være præcise som angivet, ellers skal der foretages flere ændringer i Main.py og test_insert.py.
5. Testpræparater
- Forbered objektivet ved at placere objektivet inde i objektivholderen. Sørg for, at objektivet forbliver inde i holderen under testen. Der kan være behov for noget varm lim her.
BEMÆRK: Riggen kræver brug af en sfærisk bi-konveks for at sikre korrekt dannelse af fangstområder. - Når objektivet er klarlagt (trin 5.1), skal du placere objektivholderen på den optiske skinne og laseren (se materialetabellen) i laserholderen.
BEMÆRK: Den foreslåede laser på listen over materialer kræver ingen kalibrering før brug. Sikkerhedsbriller skal bæres, når laseren er i brug.- Brug objektivet og laseren eller en anden lyskilde til at finde laserens brændpunkt og skubbe objektivholderen langs den optiske skinne, indtil brændpunktet er centreret over elektromagneten.
BEMÆRK: Dette trin er afgørende for fangst; Hvis brændpunktet ikke er centreret over elektromagneten, vil udkragningsplatformen ikke hæve partikler ind i brændpunktet. - Marker dette punkt med en blyant på træbasen til fremtidig reference.
BEMÆRK: Hvert objektiv leveres allerede med en brændviddemåling, men disse målinger er ikke altid korrekte.
- Brug objektivet og laseren eller en anden lyskilde til at finde laserens brændpunkt og skubbe objektivholderen langs den optiske skinne, indtil brændpunktet er centreret over elektromagneten.
- Forbered fældecitatet
- Sørg for, at laseren er slukket korrekt igen.
- Lim en lille knapmagnet (se Materialetabel) med samme polaritet som elektromagneten på platformens flade overflade, så elektromagneten vil afvise platformen ved hjælp af en varm limpistol, så elektromagneten vil afvise platformen.
BEMÆRK: Magneternes polaritet skal matches passende, så platformen vil blive frastødt af elektromagneten og skubbe partiklerne ind i laserens stråle, så der kan forekomme fangst. - Tag den 3D-printede, udkragede platform, og belæg platformen i sort aluminiumsfolie, som beskytter platformen mod smeltning.
BEMÆRK: Almindelig folie kan bruges, men det forårsager for meget blænding til, at kamerasystemet kan bruges. Prøv at bruge det sorte folietape (se Materialetabel), som fungerer fint med kameraet (figur 5A). Folie anbefales, fordi det let kan udskiftes til test af andre stoffer, men lignende produkter kan bruges, hvis det ønskes. - Når du har dækket platformen med aluminiumsfolien, skal du placere den valgte partikeltype, som brugeren har valgt til test, på den skrå side af platformen (se Materialetabel for partikeltypeindstillinger eller se figur 6A).
- Sæt forsigtigt udkragelsesarmene ind i den cirkulære holder, så magnetsiden vender ud. Indsæt derefter forsigtigt reagensglasset i den samme holder. Hvis dette er gjort korrekt, vil magneten næsten røre ved glasset (figur 5B).
- Anbring reagensglasset på reagensglasholderne, så platformen er centreret over elektromagneten. Hvis magneten er blevet korrekt fastgjort til udkragningsplatformen, skal udkragningen se ud til at være i en opadgående position, der afstødes af elektromagneten.
- Placer kameraet i kameraholderen for at fange eventuelle fælder, der opstår over/omkring platformen. Dobbelttjek derefter alle andre positioneringer (figur 1I-J).
6. Begyndelsen af testen
BEMÆRK: Til test skal enten trin 6.1 eller trin 6.2 følges.
- Hvis du bruger instruktioner fra trin 4.1, skal du trykke på start i filen eller starte filen normalt fra terminalen.
- Hvis du bruger instruktioner fra trin 4.2, skal du starte denne test fra terminalen med parametrene som nævnt nedenfor.
- Brug terminalkommandoer til at køre filsystemet en gang inde i den rigtige mappe med kommandoen "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Filen main.py findes i Supplerende fil 8.
- Udskift test_num med det ønskede antal test. Erstat Parameter_type med den type parameter, testen er fokuseret på.
BEMÆRK: For eksempel, hvis der blev udført tests for at bestemme, hvilken drevet laser der er bedst, ville Parameter_type blive erstattet af laser_power, og exact_parameter ville blive erstattet af den aktuelle lasers optiske udgangseffekt.
Representative Results
Det vigtigste resultat opnået ved at følge ovenstående protokol er at skabe en miniature fotoforetisk fangstrig, som hurtigt kan teste forskellige parametre. Indtil videre er disse rigge blevet brugt til at teste to kritiske parametre, lasereffekt og partikeltype. Den parallelle kørsel af flere miniature rigge har gjort det muligt for forskere at indsamle data med meget større prøvestørrelser i en meget hurtigere periode.
Den første test, der blev udført under udviklingen af ovenstående protokol, var en lasereffekttest. En enkelt miniaturerig blev brugt under denne test uden kameradetekteringssystemet, da det endnu ikke var udviklet; i stedet blev trin 4.1 fra protokollen brugt. Dette krævede, at en forsker var til stede for dataindsamlingen af alle fældedetektioner. Målet med denne test var at bestemme den ideelle lasereffekt til fangst, der skulle forekomme. Ved at placere en optisk dæmper (variabelt neutralt densitetsfilter) mellem laseren og linsen på riggen blev laserens optiske effekt varieret. Figur 7 viser resultaterne af dette eksperiment. En høj optisk effekt svarede til en højere fangsthastighed. Laseren ved fuld effekt havde den højeste registrerede fangsthastighed til denne test. Denne test var imidlertid begrænset til en laser med en maksimal optisk effekt på ~ 120 mW.
Den anden test var at bestemme, hvilket materiale eller stof der ville have den højeste fangsthastighed. Denne test blev udført ved hjælp af en enkelt miniature testrig uden kameradetekteringssystemet. Ti forskellige partikler blev testet med en prøvestørrelse på 100 forsøg for hver partikel (alle de testede stoffer findes i materialetabellen med deres beskrivelser). Prøvestørrelsen var begrænset til 100 på grund af behovet for at få en forsker til at se hvert forsøg på dataindsamling. Alle de nødvendige data blev indsamlet om to arbejdsdage. Figur 6A viser resultaterne af partikeltypetesten. Af de 10 testede materialer/partikeltyper blev det konstateret, at diamantnanopartikler (55-75%) og printertoner var de to bedste partikeltyper med hastigheder på henholdsvis 14% og 10% (tabel 1).
Efter de to første tests følte forskerne sig begrænset til en enkelt rig, der krævede aktiv overvågning under testen; dette førte til trin 4.2, der er skitseret i protokollen. Denne indstilling omfatter et kameradetekteringssystem, som giver brugerne mulighed for at køre flere miniaturetestrigge ad gangen og ikke kræver en bruger til stede til test.
Til test af dette nye kamerasystem blev der udført en modificeret gentest af partikeltypetesten. Kun få forskellige partikeltyper blev udvalgt blandt de 10, der oprindeligt blev brugt til at blive testet igen til denne nye partikeltypetest. De udvalgte partikler gennemgik en ny testrunde. Ved hjælp af en testrig "gård" med fire miniature testrigge havde hver af de udvalgte partikler en samlet testprøvestørrelse på 4.000 forsøg. Endnu en gang blev alle nødvendige data indsamlet på to hele arbejdsdage (tabel 2). Det primære formål med denne partikeltype re-test var at teste det nye kamerasystem. Denne test gjorde det muligt at sammenligne resultater fra den indledende partikeltypetest, hvor en forsker rapporterede fælderne, med resultaterne fra kameradetekteringssystemet. Testresultaterne var lidt anderledes end de oprindelige test, men stadig sammenlignelige (figur 6B). Den bedste partikeltype fra den indledende test, diamantnanopartikler 55-75%, var stadig den bedste i re-testen, men havde en lidt lavere fangsthastighed end før. Forskellen i resultater skyldes sandsynligvis en større prøvestørrelse og et ufuldkomment kameradetekteringssystem. Selvom resultaterne for denne partikeltest var lidt anderledes end forventet, vil resultaterne indsamlet af kamerascriptet være pålidelige, når man tester andre parametre, hvor materialet forbliver konstant, såsom lasereffekt eller linsebrændvidde.
Resultaterne fra alle tre udførte tests er i forhold til de rigge, de blev udført på, men de tendenser, der findes i dataene, vil vise sig at være sande, når de testes på andre mere præcise fotoforetiske testrigge. Miniaturetestriggene er ikke beregnet til at erstatte andre testrigge helt. Alligevel er de beregnet til at give forskere mulighed for hurtigt og effektivt at udforske alle parametre og muligheder i edisonisk (forsøg og fejl) test for at finde tendenser og opdagelser til yderligere forskning på mere præcise rigge.
Figur 1: Rig progression med den færdige miniature fotophoretic test rig. Figuren svarer til trin 2 og dens undertrin. (A) Viser trin 2.1. (B) Viser trin 2.2, bunden med de to langsider. (C) Viser trin 2.2, riggens ramme, en base med begge sider og den første laserholder og reagensglasholder. (D) Trin 2.3 viser kameraholderen kombineret med begge elektromagnetholdere. (E) Trin 2.3.1 tilbyder kombinationen af figur 1C,D. (F) Trin 2.4, den anden reagensglasholder og den anden laserholder er tilføjet. (G) Den valgfri lysskærm og optisk skinne er blevet tilføjet. (H) Elektromagneten er anbragt i holderen. (I) Laseren og reagensglasset er anbragt i deres holdere. (J) Dette viser hele den afsluttede test tig uden strømkilden til mikrocontrollerkortet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: 3D-printede stykker. Inkluderet i denne figur er linseholderen, den cirkulære platformholder og udkragningsplatformen. Designet til den 3D-printede objektivholder findes i Supplerende fil 1. Denne objektivholder, når den udskrives, er til et objektiv med en diameter på 30 mm. Supplerende fil 2-3 indeholder design til platformholderen og platformen. Platformsholderen har fire sæt, som platformen kan bruge, men for at riggen skal fungere som designet, skal platformen bruge de huller, der er angivet i figuren. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Mærkede laserskårne stykker. Denne figur mærker stykkerne i supplerende fil 4, som indeholder filen for alle de laserskårne stykker undtagen det valgfrie lysskjold. Efter udskrivning skal der være 1 base, 2 sider, 2 laserholdere, 2 reagensglasholdere, 2 elektromagnetholdere og 2 kameraholdere (kun en er nødvendig). Det valgfri lysskjold findes i Supplerende fil 5. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Spændingsregulator og elektromagnetkredsløb. (A) Til reference, når kredsløbet opbygges. Spændingsregulatoren har 3 ben, en justering, indgang og udgang. (B) Denne figur viser det afsluttede kredsløb beskrevet i trin 3. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Platformsforberedelser og reagensglasfælde cite. (A) Før test kan udføres, skal platformen forberedes. Reservoiret af partikler, hvor laseren vil skinne for at opfange partikler, placeres på platformen umiddelbart før testning. Sort aluminiumsfolie skal placeres på platformen før partiklerne. Dette forhindrer laseren i at smelte gennem platformen. (B) Under prøvningen sker den faktiske fangst af partikler i reagensglasset, hvilket sikrer ensartet automatisk bevægelse af platformen for hvert fældeforsøg. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Partikeltypetest (manuel) og (kamera). (A) En test af 10 forskellige partikler blev udført for at finde partiklen med den bedste fangsthastighed. (B) En anden partikeltypetest blev udført med et kameradetekteringssystem. Kun 4 af de oprindelige 10 partikler blev testet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Resultater af lasereffekttest. Fangsthastigheden for forskellige lasereffektniveauer blev målt under lasereffekttesten. De højere magter producerede højere fangstrater. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Sort spiritus (pulver) | Sort spiritus (pasta) | Wolfram (12 mikron) | Wolfram (1-5 mikron) | Aluminium pulver | Printer Toner | Grafit | Diamant nanopartikler (95%) | Diamant nanopartikler (55-75%) | Nigrosin | ||
| 1 | 2 | 2 | 1 | 0 | 3 | 2 | 1 | 5 | 2 | ||
| 1 | 3 | 2 | 0 | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 3 | 1 | 1 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 1 | 3 | 0 | ||
| 6 | 7 | 5 | 4 | 1 | 10 | 4 | 5 | 14 | 4 | ||
| 6.00% | 7.00% | 5.00% | 4.00% | 1.00% | 10.00% | 4.00% | 5.00% | 14.00% | 4.00% | ||
Tabel 1: Resultater af den partikeltypetest, der ville have den bedste fangsthastighed. Den samlede prøvestørrelse på 100 forsøg blev udført i 4 sæt af 25 for hvert materiale.
| Sort spiritus pasta | Diamant nanopartikler 55-75% | Grafit | Wolfram (12 mikron) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tabel 2: Resultater af partikeltypetesten udført med et kameradetekteringssystem. Data indsamlet fra SQLite-databasen. Data blev oprindeligt samlet i 4 sæt af 1000 for en prøvestørrelse på 4000 pr. Materiale. Individuelle poster for hvert sæt blev ikke udarbejdet fra SQLite; kun de samlede procentsatser blev udarbejdet.
Supplerende fil 1: File_1-Lens Holder.stl. Dette indeholder 3D-udskrivningsfilen til objektivholderen (se figur 2). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2: File_2-Platform.stl. Dette indeholder 3D-udskrivningsfilen til udkragningsplatformen (se figur 2). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 3: File_3-Platform Holder.stl. Dette indeholder 3D-udskrivningsfilen til platformsholderen (se figur 2). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 4: File_4-Rig Pieces.odg. Dette indeholder laserskærefilen til rigstykkerne (se figur 1 og figur 3). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 5: File_5-Light Shield.odg. Dette indeholder laserskæringsfilen til den valgfri lysskærm / blokering. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sag 6: File_6-Opt1.system.py. Dette indeholder hele koden til brug af instruktionen fra trin 4.1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 7: File_7-Opt2.Læs mig.txt. Dette indeholder readme-filen med et par detaljer for supplerende filer 8-11. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sag 8: File_8-Opt2.main.py. Dette indeholder hovedscriptet til instruktionerne i trin 4.2. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sag 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Dette indeholder scriptet til trin 4.2, der styrer elektromagneten. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sag 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Dette indeholder scriptet til trin 4.2, der automatisk uploader data til databasen. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende sag 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Dette indeholder det script, der skal uploades til kameraet i trin 4.2.2. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Den nuværende protokol indeholder flere vigtige trin, der er afgørende for den automatiske kørsel af fangstriggen. For det første skal elektromagneten være passende fastgjort til mikrocontrollerkortet gennem det specificerede kredsløb. Uden elektromagneten går den samlede anvendelighed af miniaturetestriggen tabt. Elektromagneten styrer hvert fangstforsøg ved at hæve partikelbeholderen på udkragende platformen op i laserens bane. Hvert fældeforsøg er en anden cyklus med at hæve og sænke platformen.
Kameraet bruges kun i trin 4.2 som beskrevet i protokollen, men det er afgørende for denne mulighed. Trin 4.2 kræver, at et kamera registrerer, om en partikel er blevet fanget, hvilket muliggør dataindsamling fra flere rigge. Hvis kameraet ikke er monteret korrekt, kan riggen ikke forsøge at fange.
Det tredje og mest kritiske trin, trin 5.2.1, er justering og fokusering af laseren. Linsen skal placeres, så brændpunktet opstår over elektromagneten. Den udkragede platform vil passere gennem brændpunktet over elektromagneten, hvilket gør det muligt for partikler at fange. Antag, at brændpunktet ikke er centreret over midten af elektromagneten. I så fald bliver det udfordrende at sikre, at udkragningsplatformen, der bærer partikler, passerer gennem brændpunktet for at skabe fælder. Dette kan føre til mangel på fælder. Det er også vigtigt, at platformen er hævet over elektromagneten, så laserbanen ikke konstant kommer i kontakt med platformen. Dette kan få kameraet til at rapportere falske positiver. For lettere at justere fokuspunktets placering foreslås det at bruge en optisk skinne i opsætningen af riggen; dette giver brugerne mulighed for nemt at skubbe objektivholderen bagud eller fremad for at placere brændpunktet korrekt. Laser- og reagensglas-/udkragelsningsdelen er allerede justeret, hvis riggen er korrekt bygget; brugen af den optiske skinne holder linsen på linje med de andre dele.
To separate indstillinger er beskrevet i protokollen, trin 4.1 og trin 4.2. Den første mulighed, trin 4.1, er den originale enkle måde at køre miniature-tapperiggen på. Denne mulighed er afhængig af det menneskelige øje til at detektere partikler i stedet for et kamerasystem. Denne mulighed er bedst til at indsamle mindre datasæt hurtigt eller i situationer, hvor der ønskes en live demonstration. Den første mulighed blev brugt under de to første eksperimenter, før den anden mulighed blev oprettet. Den anden mulighed, trin 4.2, bruger et kamera til automatisk detektion og fangst, hvilket gør det muligt at køre tusindvis af tests og indtaste i en database uden menneskelig overvågning. Kameraets nøjagtighed afhænger af den nøjagtige testtilstand; visse mere reflekterende materialer, når de blev testet, syntes at have en mindre nøjagtig fangsthastighed sammenlignet med lignende tests udført med menneskelig påvisning. Flere parametre i kameraets script kan dog ændres for at øge kameraets nøjagtighed. Kameraets nøjagtige nøjagtighed er noget, der kan forbedres, men det er heller ikke en væsentlig bekymring, fordi miniatureriggene er beregnet til indledende test. Den anden mulighed kan også let ændres til at køre to testrigge fra et enkelt mikrocontrollerkort; Nærmere oplysninger om denne ændring er medtaget i supplerende sag 7.
Nuværende arbejde udvikler en mere præcis og konsekvent form for automatisk fældedetektion gennem maskinindlæring. Dette nye maskinlæringsdetekteringssystem, når det er færdigt, vil bruge konvolutionelle neurale netværk til bedre at detektere fangede partikler med en meget højere nøjagtighed (over 95%), hvilket yderligere styrker brugen og effekten, som sådanne miniaturetestrigge kan have på fremtiden for fotoforetisk fældevisningsforskning.
I sin nuværende basisform er miniaturefangstriggen begrænset på få måder. Disse miniaturerigge er ikke i stand til at skabe faktiske OTD'er ved at scanne partiklen, efter at der er opstået en fælde. Designet begrænser også muligheden for, at scannere tilføjes til fremtidig brug ved oprettelse af OTD'er. En anden begrænsning af designet er behovet for yderligere komponenter til en bestemt test, der skal forekomme. For eksempel blev en variabel optisk dæmper brugt til at indsamle datasæt på forskellige optiske udgangseffektniveauer under lasereffekttesten. Tilsvarende, hvis en forsker ønskede at teste laserbølgelængde i en fremtidig test, ville de kræve flere andre lasere med sammenlignelig optisk effekt med forskellige bølgelængder ud over den laser, der anvendes i dette arbejde. Riggen ville sandsynligvis kræve yderligere ændringer for at holde hver laser, denne proces ville begrænse den hastighed, hvormed en sådan test kunne udføres, men det ville stadig være muligt. Dette design bestemmes også af behovet for at 3D-udskrive en ny linseholder til hvert objektiv. Designet og anvendelsen er også begrænset til sfæriske bikonvekse linser, der producerer sfærisk aberration for at danne områder, hvor fangst kan forekomme.
Fremadrettet omfatter fremtidige applikationer fortsat test og optimering af fotoforetiske fangstparametre. Som kort nævnt ovenfor kunne miniaturefangstriggen let ændres til et grundlæggende billigt OTD-system ved at tilføje scannere til y-aksen og x-aksekontrollen. Den elektromagnetstyrede partikellevering, der anvendes i miniaturefangstriggen, kan også implementeres i fremtidige avancerede OTD-systemer.
Miniaturefangstriggen er i sidste ende unik og tydelig inden for dette forskningsområde, fordi den kan fremstilles billigt og hurtigt, hvilket giver mulighed for hurtig massetestning. Disse rigge er beregnet til at være magre systemer designet til den indledende test og optimering af fotoforetiske fangstparametre. En individuel rig kan teste med en hastighed på ~ 250 forsøg i timen. Mange andre typer fotoforetiske fangstsystemer eller rigge er blevet udviklet til at have bedre automatiske systemer eller opnå mere ved at scanne partiklen for at skabe et billede efter en vellykket fælde1,8. Disse miniaturefangstsystemer er ikke beregnet til at erstatte brugen af sådanne systemer. De er beregnet til hurtigt at teste parametre og betingelser for fotoforetisk fangst for at give forskere en bedre forståelse af, hvad der giver god fotoforetisk fangst. Miniaturefangstriggen vil demokratisere fotoforetisk fældeforskning og give mulighed for en ny bølge af edisoniske eksperimenter og progression inden for dette forskningsområde.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender taknemmeligt økonomisk støtte fra National Science Foundation. NSF Award ID-1846477.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
| 3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
| 3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
| 5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
| Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
| Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
| Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
| Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
| Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
| Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
| Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
| Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
| Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
| Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
| Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
| Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
| Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
| Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
| Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
| Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
| Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
| Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
| Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
| Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
| Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
| USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
| Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |
References
- Smalley, D., et al.
- Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
- 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).
- Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
- 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).
- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
