Fabbricazione e test di impianti di intrappolamento fotoforetico automatico in miniatura

Summary

Questo lavoro descrive e caratterizza la fabbricazione di impianti di intrappolamento fotoforetico automatico in miniatura.

Abstract

Questo documento presenta un banco di prova di trappola fotoforetica automatizzato, compatibile con la produzione rapida per consentire la democratizzazione e il crowdsourcing della ricerca volumetrica sui display. Il carro può essere costruito entro 2 ore utilizzando una taglierina laser, una stampante tridimensionale (3D) e strumenti manuali comuni. Nella sua forma attuale, il carro può essere utilizzato per testare i seguenti parametri critici: tipo di particella, tipo di trappola, apertura numerica e flusso d'aria ad una velocità di circa 250 campioni all'ora. Con piccole modifiche, il rig può essere fatto per testare un insieme ancora più ampio di parametri, come la potenza del laser e la lunghezza d'onda del laser, a seconda delle esigenze dell'utente. Il carro può utilizzare la visione artificiale per l'acquisizione e l'analisi automatizzata dei dati. Il funzionamento e la costruzione del banco di prova sono descritti con passaggi concisi e facili da seguire. Vengono riportati i risultati di una "fattoria" di quattro unità di prova che copre i parametri di potenza e di tipo particellare. Questa piattaforma amplierà la portata e la composizione dei parametri di visualizzazione delle trappole ottiche e dei ricercatori attraverso l'accessibilità e la democratizzazione.

Introduction

Il display ottico a trappola (OTD) rende possibili le geometrie di visualizzazione viste nella fantascienza. Funziona intrappolando una particella attraverso la fotoferesi e illuminando la particella1,2,3,4. Quindi, trascinando quella particella attraverso lo spazio si forma un'immagine nell'aria che lo spettatore percepisce come continua per la persistenza della ^visione5. Questa tecnologia 3D senza schermo consente di visualizzare geometrie come proiezioni a lungo raggio, tavoli di sabbia alti e display ^avvolgenti1. Queste geometrie sono straordinariamente convincenti perché non richiedono schermo e creano contenuti che possono essere visti praticamente da ogni angolazione.

I ricercatori della Brigham Young University hanno riscontrato un successo iniziale nel loro sistema di intrappolamento fotoforetico di prima generazione utilizzando un espansore a fascio e scanner galvanometrici, insieme a diversi specchi e una o più lenti sferiche per creare una trappola fotoforetica attraverso l'aberrazione ^sferica1,4. Questo impianto di trapping di prima generazione conteneva anche laser RGB (rosso-verde-blu) per consentire un'illuminazione precisa del display a colori. Utilizzando questo sistema di intrappolamento, gli OTD vengono creati spostando una singola particella attraverso un percorso contorto. Questo approccio limita le dimensioni delle immagini a meno di un centimetro cubo e limita la complessità delle immagini in tempo reale ai wireframe e ad altri contenuti ^sparsi6,7. Inoltre, il ridimensionamento di questa tecnologia è limitato dall'incoerenza dell'intrappolamento fotoforetico8. Se è possibile ottimizzare un singolo sistema trappola/particella, è possibile ottenere il ridimensionamento del display replicando una trappola ottimizzata e intrappolando e scansionando in modo sincrono più ^particelle9. Eventuali problemi con una singola trappola saranno aggravati in un sistema multi-trap, quindi un'attenta ottimizzazione dei parametri di trappole e particelle è fondamentale.

L'ottimizzazione di un singolo sistema di trappola/trapping richiede test approfonditi per ogni parametro del sistema di trapping fotoforetico7. Tali parametri includono il tipo di particella (sostanza, forma, dimensione), la potenza del laser, la lunghezza d'onda del laser e l'apertura numerica (lunghezza focale, diametro, inclinazione). Il test e la sperimentazione attraverso tentativi ed errori per ciascun parametro ottimizzeranno le singole trappole e le trappole sincrone multiple. Tuttavia, richiederanno la raccolta di grandi quantità di dati.

In passato, il processo di ricerca e test per ottimizzare l'intrappolamento fotoforetico attraverso l'aberrazione sferica è stato fatto solo da una manciata di ricercatori in tutto il mondo1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Fino a poco tempo fa, i ricercatori della Brigham Young University si affidavano a un unico, grande e costoso sistema di cattura per raccogliere i dati necessari, il che ha causato la lentezza del processo di test e raccolta dei ^dati1,7. Tuttavia, da quando nel 20181 sono stati introdotti i display ottici a trappola come soluzione per la visualizzazione 3D, individui di tutte le età e provenienti da diversi continenti hanno espresso il desiderio di partecipare alla ricerca. A causa dell'interesse generato per gli OTD, i ricercatori hanno voluto trovare un modo per consentire a tutte le parti interessate di partecipare al processo di ricerca. Le precedenti generazioni di impianti di intrappolamento fotoforetico, che contenevano spaccalegna e galvanometri, erano troppo costose e dispendiose in termini di tempo per la produzione di massa e il crowdsourcing1,6, quindi era necessaria una soluzione diversa.

È stato sviluppato un nuovo impianto di cattura fotoforetica in miniatura, che consente a tutte le parti interessate di partecipare alla ricerca e di testare e raccogliere rapidamente i dati per tutti i parametri significativi sopra menzionati. Possono essere fabbricati rapidamente da chiunque abbia accesso a una stampante 3D e a un taglierino laser. Questa progettazione tenta di ridurre al minimo i costi e la complessità, mitigare i rischi e massimizzare l'automazione, l'interconnettività e la flessibilità (Figura 1). Il nuovo carro utilizza la configurazione ottica più semplice possibile per l'intrappolamento fotoforetico: un singolo laser e una ^lente10. I piccoli carri sono semplici da usare una volta configurati e possono essere testati a una velocità di circa 250 tentativi all'ora.

I dati raccolti da questi carri dai test di futuri cittadini scienziati e ricercatori aiuteranno in modo significativo a sviluppare la cattura fotoforetica nel suo utilizzo per la visualizzazione 3D consentendo l'ottimizzazione dei parametri di cattura e delle singole trappole.

Protocol

1.3D stampa e taglio laser dei materiali richiesti

1. Stampa 3D dei materiali elencati di seguito
   1. Stampare il supporto dell'obiettivo utilizzando una stampante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) a filamento (vedere Tabella dei materiali) secondo le informazioni fornite nel file supplementare 1. Questo portaobiettivo è per un obiettivo da 30 mm (diametro) (Figura 2).
      NOTA: il file può essere facilmente personalizzato per adattarsi ad altri obiettivi.
   2. Successivamente, stampare la piattaforma a sbalzo e il supporto (Figura 2) (File supplementare 2 e File supplementare 3).
      NOTA: Questo può richiedere ~ 2-14 ore, a seconda dei dettagli delle stampe. I dettagli delle stampe non dovrebbero influire sulla velocità di cattura se è stata posizionata una quantità sufficiente della sostanza intrappolante (punto 5.3.4).
2. Utilizzando una fresa laser 3D (vedere Tabella dei materiali), ritagliare i pezzi del carro (Figura 3) (File supplementare 4-5).
   NOTA: Questo taglio può essere fatto su qualsiasi materiale di spessore di un quarto di pollice, ma il legno è il materiale consigliato. Il file supplementare 4 contiene i pezzi di rig richiesti che si adattano a un pezzo di legno 12 x 12. Il file supplementare 5 include uno schermo/bloccante luminoso opzionale.
3. Usando un tagliavetro (vedi Tabella dei materiali), tagliare una provetta standard (~ 2,5 cm di diametro) all'incirca a metà in modo che la metà con due estremità aperte sia lunga ~ 6,5 cm.

2. Assemblaggio dei carri di legno

NOTA: durante l'assemblaggio del carro di legno, le istruzioni nei passaggi 2.1 -2.5 possono dire "scorrimento", ma i pezzi possono richiedere più forza per essere posizionati e costruiti in modo appropriato.

1. Posizionare il pezzo di base verso il basso con l'emblema Y rivolto verso l'alto (Figura 1A).
2. Tenere i due lunghi pezzi laterali su entrambi i lati della base mentre il primo supporto laser viene fatto scorrere per posizionarlo su un'estremità e il primo supporto per provetta sull'altro lato (Figura 1B, C).
3. Di lato, far scorrere entrambi i supporti elettromagnetici sul supporto della fotocamera. Assicurarsi che i supporti magnetici siano separati da ~1 cm su ciascun lato (Figura 1D).
   1. Inclinare i supporti magnetici e il supporto della fotocamera come unità accanto al supporto della prima provetta, distanziati. Quindi, 1 cm tra il supporto della provetta e il primo supporto per elettromagnete (il bordo del supporto della telecamera oltre il supporto dell'elettromagnete può servire come riferimento per 1 cm) (Figura 1E).
      NOTA: sia il supporto della telecamera che lo schermo luminoso non sono necessari per l'uso primario del sistema di intrappolamento in miniatura, ma entrambi sono consigliati per l'uniformità della configurazione del rig.
4. Quindi, posizionare il secondo supporto della provetta dopo entrambi i supporti dell'elettromagnete in modo che ci sia uno spazio di ~ 1 cm tra il secondo supporto della provetta e il secondo supporto dell'elettromagnete.
   NOTA: In totale, tra i due supporti per provette, c'è ~ 4 cm di spazio (il supporto della fotocamera ha una larghezza di 4 cm, per un riferimento di posizionamento) (Figura 1F).
   1. Se si utilizza lo schermo luminoso/bloccante opzionale (file supplementare 5), far scorrere lo schermo luminoso sull'estremità opposta dei supporti per provette e dei supporti elettromagneti dal supporto della telecamera; questo aiuterà a centrare e allineare i supporti della provetta e dell'elettromagnete.
5. Far scorrere il secondo supporto laser in posizione; non è richiesta alcuna distanza esatta. La distanza consigliata è di 3-4 cm, ma potrebbe essere necessario variare a seconda della lunghezza del laser.
6. Se lo si desidera, una guida ottica (vedi Tabella dei materiali) può essere fatta scorrere sotto tutti i supporti per allineare altri elementi del sistema di intrappolamento. Ciò sarà particolarmente utile per allineare la lente con il laser e la provetta (Figura 1G).
7. Posizionare l'elettromagnete (vedi Tabella dei materiali) nei supporti dell'elettromagnete (Figura 1H).

3. Collegamento del circuito con la scheda microcontrollore specificata

1. Collegare il monitor, la tastiera e il mouse del computer alla scheda del microcontroller (vedere Tabella dei materiali). Avviare la scheda del microcontroller e assicurarsi che il sistema operativo funzioni. Non sono necessarie modifiche alle configurazioni originali del microcontrollore, sebbene sia VNC (connessione di rete virtuale) che SSH (shell sicura) possano essere selezionati, se lo si desidera. Ciò consentirebbe l'accesso remoto al microcontrollore.
2. Costruire il circuito di controllo dell'elettromagnete utilizzando un regolatore di tensione (vedere Tabella dei materiali), una breadboard e alcuni fili (Figura 4A).
   NOTA: tutti i numeri di pin per la scheda del microcontrollore sono i pin GPIO (general purpose input and output).
   1. Posizionare il regolatore di tensione nella breadboard in modo che ogni pin sia in una fila diversa per consentire un uso corretto.
   2. Collegare il pin di ingresso del regolatore di tensione a uno dei pin di alimentazione da 5 V sulla scheda del microcontroller.
   3. Collegare il pin di regolazione del regolatore di tensione a GPIO 23 sulla scheda del microcontroller.
   4. Collegare il filo di ingresso dell'elettromagnete al pin di uscita del regolatore di tensione. Quindi collegare il filo di uscita dell'elettromagnete a un perno di terra sul microcontrollore; questo si ottiene meglio quando si utilizza un'altra fila nella breadboard per collegare i due utilizzando un filo aggiuntivo.

4. Caricamento del codice per il funzionamento del sistema

NOTA: per caricare il codice, è necessario seguire il passaggio 4.1 o il passaggio 4.2. Il passaggio 4.1 fornisce istruzioni per la versione semplice del codice che non utilizza una fotocamera. Il passaggio 4.2 fornisce istruzioni per la versione che utilizza una fotocamera.

1. Eseguire i passaggi in linea con le istruzioni fornite nel file supplementare 6.
   1. Apri il terminale e vai alla posizione per archiviare i file necessari. Creare una nuova directory sulla scheda del microcontrollore digitando il comando del terminale 'mkdir' seguito dal nome della directory desiderata. Questa directory verrà utilizzata per archiviare i file per l'esecuzione del trap rig.
   2. Inserire il file supplementare 6 nella nuova directory. Per informazioni dettagliate, vedere la sezione Leggimi nella sezione iniziale del file. Dopo aver modificato il numero di test nella quantità desiderata, il programma è pronto per l'esecuzione.
      Nota : questo file contiene una variabile necessaria denominata num_tries che controlla il numero di test da eseguire in una sola esecuzione. Questo file include sempre alcune pause, che possono essere abbreviate per test più rapidi.
2. Eseguire e visualizzare SQLite sulla scheda del microcontrollore seguendo i passaggi seguenti. Ciò richiede il file supplementare 7-11 e una telecamera e le competenze pertinenti.
   1. Installare le librerie di database necessarie sulla scheda del microcontrollore digitando nel terminale 'Sudo apt-get install SQLite browser' e 'Sudo apt-get install sqlite3'. Ciò consentirà alla scheda del microcontrollore di memorizzare automaticamente tutti i dati dei test utilizzando il file supplementare 9.
   2. Salva il file supplementare 11, lo script della fotocamera come main.py sulla fotocamera. Questo può essere fatto attraverso un esploratore di file o l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) sviluppato per la fotocamera (vedere Tabella dei materiali).
      NOTA: l'IDE è consigliato perché consente agli utenti di vedere l'output della fotocamera, il che aiuta a garantire che la fotocamera sia messa a fuoco correttamente.
   3. Collegare la telecamera alla scheda del microcontrollore. Utilizzare 4 pin, incluso il pin di terra della fotocamera. Collegare il pin di terra alla massa della scheda del microcontrollore. I seguenti pin devono corrispondere come indicato di seguito:
      1. Collega il pin 8 della fotocamera al GPIO 19: questo pin invia i risultati di ogni trap al pi.
      2. Collega il pin 9 della fotocamera al GPIO 17: questo pin consente alla fotocamera di avviare la ricerca.
      3. Collega il pin 7 della fotocamera al GPIO 5: questo è il pin di stato della fotocamera.
   4. Creare una directory per archiviare tutti i file. Dopo aver creato questa directory, salvare i file come previsto nel file supplementare 7-10 nella directory; rinominarli rispettivamente readme.txt, main.py, electromagnet.py e test_insert.py.
   5. Leggere il file supplementare 7 (Leggimi.txt).
      Nota : il file Leggimi fornisce una buona spiegazione di ciò che ogni file fa e le modifiche che potrebbero essere necessarie per ogni file, ad esempio il percorso di directory del database.
   6. Aprire il Visualizzatore database installato nel passaggio 4.2.1. Fare clic sul pulsante Nuovo database e salvare il database nella stessa directory degli altri file. Il nuovo database deve corrispondere al nome del file di database trovato in test_insert.py.
   7. All'interno del database, creare una tabella all'interno del nuovo database per salvare i dati. Il database dispone di 5 campi, parameter_type, trapped, testname, testnum e rigID.
      NOTA: le sezioni della tabella devono essere precise come specificato o dovranno essere apportate ulteriori modifiche in Main.py e test_insert.py.

5. Preparazioni ai test

1. Preparare l'obiettivo posizionando l'obiettivo all'interno del supporto dell'obiettivo. Assicurarsi che l'obiettivo rimanga all'interno del supporto durante il test. Un po 'di colla a caldo potrebbe essere necessaria qui.
   NOTA: il rig richiede l'utilizzo di un biconvesso sferico per garantire la corretta formazione delle regioni di trapping.
2. Dopo aver preparato l'obiettivo (passaggio 5.1), posizionare il supporto dell'obiettivo sulla guida ottica e il laser (vedere Tabella dei materiali) nel supporto laser.
   NOTA: il laser suggerito nell'elenco dei materiali non richiede alcuna calibrazione prima dell'uso. Gli occhiali di sicurezza devono essere indossati ogni volta che il laser è in uso.
   1. Utilizzando l'obiettivo e il laser o un'altra fonte di luce, trovare il punto focale del laser e far scorrere il supporto della lente lungo la guida ottica fino a quando il punto focale non è centrato sull'elettromagnete.
      NOTA: questo passaggio è fondamentale per l'abbondanza; se il punto focale non è centrato sull'elettromagnete, la piattaforma a sbalzo non solleverà particelle nel punto focale.
   2. Segna questo punto con una matita sulla base di legno per riferimento futuro.
      NOTA: ogni obiettivo viene già fornito con una misurazione della lunghezza focale, ma queste misurazioni non sono sempre corrette.
3. Preparare la citazione di trapping
   1. Assicurarsi che il laser sia nuovamente spento correttamente.
   2. Utilizzando una pistola per colla a caldo, incollare un piccolo magnete a bottone (vedi Tabella dei materiali) della stessa polarità dell'elettromagnete sulla superficie piana della piattaforma in modo che l'elettromagnete respinga la piattaforma.
      NOTA: La polarità dei magneti deve essere abbinata in modo appropriato in modo che la piattaforma venga respinta dall'elettromagnete, spingendo le particelle nel raggio del laser in modo che possa verificarsi l'intrappolamento.
   3. Prendi la piattaforma a sbalzo stampata in 3D e rivesti la piattaforma con un foglio di alluminio nero, che protegge la piattaforma dalla fusione.
      NOTA: è possibile utilizzare una lamina normale, ma causa un abbagliamento eccessivo per l'utilizzo del sistema di telecamere. Prova a utilizzare il nastro adesivo nero (vedi Tabella dei materiali), che funziona bene con la fotocamera (Figura 5A). La lamina è raccomandata perché può essere facilmente sostituita per testare altre sostanze, ma se lo si desidera, possono essere utilizzati prodotti simili.
   4. Dopo aver coperto la piattaforma con il foglio di alluminio, posizionare il tipo di particella selezionato scelto dall'utente per il test sul lato inclinato della piattaforma (vedere tabella dei materiali per le opzioni di tipo di particella o vedere la Figura 6A).
   5. Inserire delicatamente i bracci a sbalzo nel supporto circolare in modo che il lato magnetico sia rivolto verso l'esterno. Quindi inserire delicatamente la provetta nello stesso supporto. Se questo è stato fatto correttamente, il magnete toccherà quasi il vetro (Figura 5B).
   6. Posizionare la provetta sui supporti della provetta in modo che la piattaforma sia centrata sull'elettromagnete. Se il magnete è stato opportunamente fissato alla piattaforma a sbalzo, il cantilever dovrebbe apparire in una posizione verso l'alto respinto dall'elettromagnete.
4. Posiziona la fotocamera nel supporto della fotocamera per catturare eventuali trappole che si verificano sopra / intorno alla piattaforma. Quindi ricontrollare tutti gli altri posizionamenti (Figura 1I-J).

6. Inizio del test

NOTA: per i test, è necessario seguire il passaggio 6.1 o il passaggio 6.2.

1. Se si utilizzano le istruzioni del passaggio 4.1, premere start nel file o avviare il file normalmente dal terminale.
2. Se si utilizzano le istruzioni del passaggio 4.2, avviare questo test dal terminale con i parametri indicati di seguito.
   1. Utilizzando i comandi del terminale, eseguire il file system una volta all'interno della directory appropriata con il comando "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Il file main.py è fornito nel file supplementare 8.
   2. Sostituire il test_num con il numero di test desiderato. Sostituire il Parameter_type dal tipo di parametro su cui si concentra il test.
      NOTA: ad esempio, se venissero eseguiti test per determinare quale laser alimentato è il migliore, Parameter_type verrebbe sostituito da laser_power e il exact_parameter verrebbe sostituito dalla potenza di uscita ottica del laser corrente.

Representative Results

Il principale risultato ottenuto seguendo il protocollo di cui sopra è la creazione di un impianto di intrappolamento fotoforetico in miniatura, in grado di testare rapidamente vari parametri. Finora, questi carri sono stati utilizzati per testare due parametri critici, la potenza del laser e il tipo di particelle. L'esecuzione parallela di più piattaforme in miniatura ha permesso ai ricercatori di raccogliere dati con campioni di dimensioni molto più grandi in un periodo di tempo molto più rapido.

Il primo test, condotto durante lo sviluppo del protocollo di cui sopra, è stato un test di potenza laser. Durante questo test è stato utilizzato un singolo carro in miniatura, senza il sistema di rilevamento della telecamera, poiché non era ancora stato sviluppato; invece, è stato utilizzato il passaggio 4.1 del protocollo. Ciò ha richiesto la presenza di un ricercatore per la raccolta dei dati di tutti i rilevamenti di trappole. L'obiettivo di questo test era determinare la potenza laser ideale per l'intrappolamento. Posizionando un attenuatore ottico (filtro a densità neutra variabile) tra il laser e la lente sul carro, la potenza ottica del laser è stata varrata. La Figura 7 mostra i risultati di questo esperimento. Un'elevata potenza ottica in uscita corrispondeva a un più alto tasso di intrappolamento. Il laser a piena potenza ha avuto il più alto tasso di intrappolamento registrato per questo test. Tuttavia, questo test è stato limitato a un laser con una potenza ottica massima di ~ 120 mW.

Il secondo test consisteva nel determinare quale materiale o sostanza avrebbe avuto il più alto tasso di intrappolamento. Questo test è stato condotto utilizzando un singolare banco di prova in miniatura senza il sistema di rilevamento della telecamera. Dieci diverse particelle sono state testate con una dimensione del campione di 100 tentativi per ogni particella (tutte le sostanze testate possono essere trovate nella Tabella dei materiali con le loro descrizioni). La dimensione del campione era limitata a 100 a causa della necessità di avere un ricercatore che osservasse ogni tentativo di raccolta dei dati. Tutti i dati necessari sono stati raccolti in due giorni lavorativi. La Figura 6A mostra i risultati del test del tipo di particella. Dei 10 tipi di materiali/particelle testati, è stato riscontrato che le nanoparticelle di diamante (55-75%) e il toner della stampante erano i due migliori tipi di particelle con tassi rispettivamente del 14% e del 10% (Tabella 1).

Dopo i primi due test, i ricercatori si sono sentiti limitati a un rig singolare che richiedeva una visione attiva durante i test; questo ha portato al passaggio 4.2 delineato nel protocollo. Questa opzione include un sistema di rilevamento della telecamera, che consente agli utenti di eseguire diversi banchi di prova in miniatura alla volta e non richiede la presenza di un utente per il test.

Per testare questo nuovo sistema di telecamere, è stato condotto un nuovo test modificato del test del tipo di particella. Solo alcuni tipi di particelle diverse sono stati selezionati tra i 10 utilizzati inizialmente per essere nuovamente testati per questo nuovo test del tipo di particella. Le particelle selezionate sono state sottoposte a un nuovo ciclo di test. Utilizzando una "fattoria" di quattro banchi di prova in miniatura, ciascuna delle particelle selezionate aveva una dimensione totale del campione di prova di 4.000 tentativi. Ancora una volta, tutti i dati necessari sono stati raccolti in due giorni lavorativi interi (Tabella 2). Lo scopo principale di questo nuovo test del tipo di particelle era quello di testare il nuovo sistema di telecamere. Questo test ha permesso di confrontare i risultati del test iniziale del tipo di particella, con un ricercatore che ha riportato le trappole, con i risultati del sistema di rilevamento della telecamera. I risultati dei test erano leggermente diversi rispetto ai test originali, ma comunque comparabili (Figura 6B). Il miglior tipo di particella del test iniziale, le nanoparticelle di diamante 55-75%, era ancora il migliore nel nuovo test, ma aveva un tasso di intrappolamento leggermente inferiore rispetto a prima. La differenza nei risultati è molto probabilmente dovuta a una dimensione del campione più grande e a un sistema di rilevamento della telecamera imperfetto. Sebbene i risultati di questo test delle particelle siano stati leggermente diversi dal previsto, quando si testano altri parametri in cui il materiale rimane costante, come la potenza del laser o la lunghezza focale dell'obiettivo, i risultati raccolti dallo script della fotocamera saranno affidabili.

I risultati di tutti e tre i test condotti sono relativi ai carri su cui sono stati eseguiti, ma le tendenze trovate nei dati si riveleranno vere quando testate su altri banchi di prova fotoforetici più precisi. I banchi di prova in miniatura non sono destinati a sostituire completamente altri banchi di prova. Tuttavia, hanno lo scopo di consentire ai ricercatori di esplorare tutti i parametri e le possibilità in modo rapido ed efficiente nei test edisoniani (tentativi ed errori) per trovare tendenze e scoperte per ulteriori ricerche su piattaforme più precise.

Figura 1: Progressione del rig con il banco di prova fotoforetico in miniatura completato. La figura corrisponde al passaggio 2 e ai suoi passaggi secondari. (A) Mostra il passaggio 2.1. (B) Dimostra il passo 2.2, la base con i due lati lunghi. (C) Mostra il passaggio 2.2, il telaio del carro, una base con entrambi i lati e il primo supporto laser e il supporto per provetta. (D) Il punto 2.3 mostra il supporto della telecamera combinato con entrambi i supporti elettromagnetici. (E) La fase 2.3.1 offre la combinazione delle figure 1C, D. (F) Fase 2.4, sono stati aggiunti il secondo supporto per provetta e il secondo supporto laser. (G) Sono stati aggiunti lo schermo luminoso opzionale e la guida ottica. H) L'elettromagnete è posto nel suo supporto. (I) Il laser e la provetta sono stati collocati nei loro supporti. (J) Questo mostra l'intero tig di prova completato senza la fonte di alimentazione per la scheda del microcontrollore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Pezzi stampati in 3D. Inclusi in questa figura sono il supporto per lenti, il supporto per piattaforma circolare e la piattaforma a sbalzo. Il design per il supporto per lenti stampato in 3D è disponibile nel file supplementare 1. Questo portaobiettivo, una volta stampato, è per un obiettivo di 30 mm di diametro. Il file supplementare 2-3 contiene i disegni per il titolare della piattaforma e la piattaforma. Il portapiattaforma ha quattro set che la piattaforma può utilizzare, ma affinché il carro funzioni come progettato, la piattaforma dovrebbe utilizzare i fori indicati nella figura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Pezzi tagliati al laser etichettati. Questa figura etichetta i pezzi del file supplementare 4, che contiene il file per tutti i pezzi tagliati al laser ad eccezione dello scudo luminoso opzionale. Dopo la stampa, ci dovrebbe essere 1 base, 2 lati, 2 supporti laser, 2 supporti per provette, 2 supporti per elettromagnete e 2 supporti per fotocamera (solo uno è necessario). Lo schermo luminoso opzionale si trova nel file supplementare 5. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Regolatore di tensione e circuito elettromagnetico. (A) Per riferimento, durante la costruzione del circuito. Il regolatore di tensione ha 3 pin, una regolazione, un ingresso e un'uscita. (B) Questa figura mostra il circuito completato descritto nel passaggio 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Preparazione della piattaforma e citazione della trappola in provetta. (A) Prima di poter eseguire i test, la piattaforma deve essere preparata. Il serbatoio di particelle in cui il laser brillerà per raccogliere le particelle verrà posizionato sulla piattaforma immediatamente prima del test. Il foglio di alluminio nero deve essere posizionato sulla piattaforma prima delle particelle. Ciò impedisce al laser di fondersi attraverso la piattaforma. (B) Durante la prova, l'intrappolamento effettivo delle particelle avviene all'interno della provetta, garantendo un movimento automatico costante della piattaforma per ogni tentativo di trappola. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Test del tipo di particella (manuale) e (fotocamera). (A) È stato condotto un test di 10 particelle diverse per trovare la particella con la migliore velocità di intrappolamento. (B) Una seconda prova del tipo di particella è stata condotta con un sistema di rilevamento della telecamera. Solo 4 delle 10 particelle originali sono state testate. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Risultati dei test di potenza laser. Il tasso di intrappolamento per diversi livelli di potenza laser è stato misurato durante il test di potenza laser. Le potenze più elevate hanno prodotto tassi più elevati di intrappolamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Liquore nero (polvere)	Liquore Nero (pasta)	Tungsteno (12 micron)	Tungsteno (1-5 micron)	Polvere di alluminio	Toner per stampante	Grafite	Nanoparticelle di diamante (95%)		Nanoparticelle di diamante (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%

Tabella 1: Risultati del test del tipo di particella che avrebbe il miglior tasso di intrappolamento. La dimensione totale del campione di 100 tentativi è stata eseguita in 4 serie di 25 per ciascun materiale.

Pasta di liquore nero	Nanoparticelle di diamante 55-75%	Grafite	Tungsteno (12 micron)
2.10%	11.70%	10.60%	6.40%

Tabella 2: Risultati della prova del tipo di particella condotta con un sistema di rilevamento della telecamera. Dati raccolti dal database SQLite. I dati sono stati compilati inizialmente in 4 serie di 1000 per una dimensione del campione di 4000 per materiale. I singoli record per ogni set non sono stati compilati da SQLite; sono state compilate solo le percentuali totali.

File supplementare 1: File_1-Lens Holder.stl. Contiene il file di stampa 3D per il supporto dell'obiettivo (vedere la Figura 2). Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 2: File_2-Platform.stl. Contiene il file di stampa 3D per la piattaforma a sbalzo (vedere la Figura 2). Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 3: File_3-Platform Holder.stl. Contiene il file di stampa 3D per il titolare della piattaforma (vedere la Figura 2). Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 4: File_4-Rig Pieces.odg. Contiene il file di taglio laser per i pezzi del carro (vedere figura 1 e figura 3). Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 5: File_5-Light Shield.odg. Contiene il file di taglio laser per lo schermo luminoso/bloccante opzionale. Fare clic qui per scaricare questo file.

Fascicolo complementare 6: File_6-Opt1.system.py. Questo contiene l'intero codice per l'uso dell'istruzione dal passaggio 4.1. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Contiene il file Leggimi con alcuni dettagli per i file supplementari 8-11. Fare clic qui per scaricare questo file.

Fascicolo complementare 8: File_8-Opt2.main.py. Contiene lo script principale per le istruzioni disponibili nel passaggio 4.2. Fare clic qui per scaricare questo file.

Fascicolo complementare 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Contiene lo script per il passaggio 4.2 che controlla l'elettromagnete. Fare clic qui per scaricare questo file.

Fascicolo complementare 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Contiene lo script per il passaggio 4.2 che carica automaticamente i dati nel database. Fare clic qui per scaricare questo file.

Fascicolo complementare 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Contiene lo script che deve essere caricato sulla fotocamera durante il passaggio 4.2.2. Fare clic qui per scaricare questo file.

Discussion

Il presente protocollo contiene diversi passaggi essenziali che sono fondamentali per l'esecuzione automatica del rig di trapping. In primo luogo, l'elettromagnete deve essere opportunamente collegato alla scheda del microcontrollore attraverso il circuito specificato. Senza l'elettromagnete, l'utilità totale del banco di prova in miniatura viene persa. L'elettromagnete controlla ogni tentativo di intrappolamento sollevando il serbatoio di particelle sulla piattaforma a sbalzo fino al percorso del laser. Ogni tentativo di trappola è un altro ciclo di sollevamento e abbassamento della piattaforma.

La fotocamera viene utilizzata solo nel passaggio 4.2 come descritto nel protocollo, ma è fondamentale per questa opzione. La fase 4.2 richiede una telecamera per rilevare se una particella è stata intrappolata, consentendo la raccolta dei dati da più rig. Se la telecamera non è collegata correttamente, il rig non sarà in grado di tentare alcuna trappola.

Il terzo e più critico passo, il passo 5.2.1, è l'allineamento e la messa a fuoco del laser. L'obiettivo deve essere posizionato in modo che il punto focale si verifichi sopra l'elettromagnete. La piattaforma a sbalzo passerà attraverso il punto focale sopra l'elettromagnete, consentendo alle particelle di intrappolarsi. Supponiamo che il punto focale non sia centrato sopra il centro dell'elettromagnete. In tal caso, diventa difficile garantire che la piattaforma a sbalzo che trasporta le particelle passi attraverso il punto focale per creare trappole. Questo può portare a una mancanza di trappole. È inoltre essenziale che la piattaforma sia elevata rispetto all'elettromagnete in modo che il percorso laser non contatti costantemente la piattaforma. Ciò può causare la segnalazione di falsi positivi da parte della fotocamera. Per regolare più facilmente la posizione del punto focale, si consiglia di utilizzare una guida ottica nella configurazione del carro; ciò consentirà agli utenti di far scorrere facilmente il supporto dell'obiettivo all'indietro o in avanti per posizionare correttamente il punto focale. Il laser e la provetta/parte a sbalzo sono già allineati se il carro è stato costruito in modo appropriato; l'uso della guida ottica manterrà la lente allineata con le altre parti.

Due opzioni separate sono dettagliate nel protocollo, il passaggio 4.1 e il passaggio 4.2. La prima opzione, il passaggio 4.1, è il modo semplice originale per eseguire il rig di maschiatura in miniatura. Questa opzione si basa sull'occhio umano per rilevare le particelle anziché su un sistema di telecamere. Questa opzione è la migliore per raccogliere rapidamente set di dati più piccoli o in situazioni in cui si desidera una dimostrazione dal vivo. La prima opzione è stata utilizzata durante i primi due esperimenti prima della creazione della seconda opzione. La seconda opzione, il passaggio 4.2, utilizza una telecamera per il rilevamento e l'intrappolamento automatici, consentendo di eseguire migliaia di test e inserirli in un database senza alcuna supervisione umana. La precisione della fotocamera dipende dalle esatte condizioni di test; alcuni materiali più riflettenti, quando testati, sembravano avere un tasso di intrappolamento meno accurato rispetto a test simili effettuati con il rilevamento umano. Tuttavia, diversi parametri nello script della fotocamera possono essere modificati per aumentare la precisione della fotocamera. L'esatta precisione della fotocamera è qualcosa che può essere migliorata, ma non è nemmeno una preoccupazione significativa perché i rig in miniatura sono pensati per i test iniziali. La seconda opzione può anche essere facilmente modificata per eseguire due banchi di prova da una singola scheda microcontrollore; i dettagli di tale modifica sono inclusi nel fascicolo supplementare 7.

Il lavoro attuale sta sviluppando una forma più esatta e coerente di rilevamento automatico delle trappole attraverso l'apprendimento automatico. Questo nuovo sistema di rilevamento dell'apprendimento automatico, una volta terminato, utilizzerà reti neurali convoluzionali per rilevare meglio le particelle intrappolate con un tasso di precisione molto più elevato (superiore al 95%), rafforzando ulteriormente l'uso e l'effetto che tali piattaforme di test in miniatura possono avere sul futuro della ricerca sui display delle trappole fotoforetiche.

Nella sua attuale forma di base, il rig di intrappolamento in miniatura è limitato in alcuni modi. Questi carri in miniatura non sono in grado di creare OTD effettivi scansionando la particella dopo che si è verificata una trappola. Il design limita anche la possibilità di aggiungere scanner per un uso futuro nella creazione di OTD. Un'altra limitazione della progettazione è la necessità di componenti aggiuntivi per un test specifico. Ad esempio, un attenuatore ottico variabile è stato utilizzato per raccogliere i set di dati a diversi livelli di potenza di uscita ottica durante il test di potenza laser. Allo stesso modo, se un ricercatore volesse testare la lunghezza d'onda del laser in un test futuro, richiederebbe diversi altri laser di potenza ottica comparabile con diverse lunghezze d'onda oltre al laser utilizzato in questo lavoro. Il carro richiederebbe molto probabilmente ulteriori modifiche per contenere ogni laser, questo processo limiterebbe la velocità alla quale tale test potrebbe essere condotto, ma sarebbe comunque possibile. Questo design è anche determinato dalla necessità di stampare in 3D un nuovo supporto per ogni obiettivo. Il design e l'applicazione sono anche limitati alle lenti sferiche biconvesse, che producono aberrazione sferica per formare regioni in cui può verificarsi l'intrappolamento.

In futuro, le applicazioni future includono test continui e ottimizzazione dei parametri di intrappolamento fotoforetico. Come accennato brevemente in precedenza, il rig di intrappolamento in miniatura potrebbe essere facilmente modificato in un sistema OTD economico di base aggiungendo scanner per il controllo dell'asse y e dell'asse x. L'erogazione di particelle controllata dall'elettromagnete utilizzata nel carro di intrappolamento in miniatura potrebbe anche essere implementata in futuri sistemi OTD avanzati.

Il rig di cattura in miniatura è in definitiva unico e distinto in questo campo di ricerca perché può essere fabbricato in modo economico e rapido, consentendo test di massa rapidi. Questi carri sono pensati per essere sistemi snelli progettati per il test iniziale e l'ottimizzazione dei parametri di intrappolamento fotoforetico. Un singolo rig può eseguire il test a una velocità di ~ 250 tentativi all'ora. Molti altri tipi di sistemi o impianti di intrappolamento fotoforetico sono stati sviluppati per avere sistemi automatici migliori o ottenere di più scansionando la particella per creare un'immagine dopo una trappola di ^successo1,8. Questi sistemi di cattura in miniatura non sono destinati a sostituire l'uso di tali sistemi. Hanno lo scopo di testare rapidamente i parametri e le condizioni di intrappolamento fotoforetico per dare ai ricercatori una migliore comprensione di ciò che rende una buona cattura fotoforetica. Il carro di cattura in miniatura democratizzerà la ricerca sulle trappole fotoforetiche e consentirà una nuova ondata di sperimentazione e progressione edisoniana in questo campo di ricerca.

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