Summary
この研究は、小型自動フォトフォレティックトラップリグの製造を説明し、特徴付けます。
Abstract
このホワイトペーパーでは、体積ディスプレイ研究の民主化とクラウドソーシングを可能にするために、自動化された高速ファブ互換のフォトフォレティックトラップテストリグを紹介します。リグは、レーザーカッター、3次元(3D)プリンタ、および一般的なハンドツールを使用して2時間以内に構築できます。現在の形式では、リグを使用して、粒子タイプ、トラップタイプ、開口数、およびエアフローの重要なパラメータを1時間あたり約250サンプルの速度でテストできます。リグを少し変更するだけで、ユーザーのニーズに応じて、レーザー出力やレーザー波長など、さらに大きなパラメータセットをテストできます。リグはマシンビジョンを使用して、自動データキャプチャと分析を行うことができます。テストリグの操作と構造は、簡潔でわかりやすい手順で説明されています。出力とパーティクル タイプのパラメータをカバーする 4 ユニットのテスト リグ「ファーム」の結果が報告されます。このプラットフォームは、アクセシビリティと民主化を通じて、光学トラップディスプレイパラメータと研究者の範囲と構成を広げます。
Introduction
光学トラップディスプレイ(OTD)は、SFで見られるディスプレイ形状を可能にします。これは、光フェレーシスを介して粒子を捕捉し、粒子1,2,3,4を照らすことによって動作する。次に、その粒子を空間にドラッグすると、視覚の持続性に従って連続していると視聴者が知覚する空気中の画像が形成されます5。このスクリーンレス3D技術により、長投射、背の高い砂のテーブル、ラップアラウンドディスプレイなどの形状を表示できます1。これらのジオメトリは、画面を必要とせず、ほぼすべての角度から見ることができるコンテンツを作成するため、ユニークに魅力的です。
ブリガム・ヤング大学の研究者は、ビームエキスパンダーとガルバノメータースキャナー、およびいくつかのミラーと1つ以上の球面レンズを使用して球面収差による光泳動トラップを作成することによって、第1世代の光泳動トラップで最初の成功を収めました1,4。この第1世代のトラップリグには、正確な色付きディスプレイ照明を可能にするRGB(赤-緑-青)レーザーも含まれていました。このトラップシステムを使用して、OTDは、複雑な経路を介して単一の粒子を移動することによって作成されます。このアプローチでは、画像のサイズを立方センチメートル未満に制限し、リアルタイム画像の複雑さをワイヤーフレームやその他のまばらなコンテンツに制限します6,7。さらに、この技術のスケーリングは、光泳動トラップの不整合によって制限されます8。単一のトラップ/パーティクルシステムを最適化できる場合、最適化されたトラップを複製し、複数のパーティクルを同期的にトラップおよびスキャンすることで、ディスプレイのスケーリングを実現できます9。単一トラップの問題はマルチトラップシステムで複合化されるため、トラップとパーティクルパラメータを慎重に最適化することが重要です。
個々のトラップ/トラップシステムの最適化には、光泳動トラップシステムのすべてのパラメータに対して広範なテストを行う必要があります7。このようなパラメータには、粒子タイプ(物質、形状、サイズ)、レーザー出力、レーザー波長、および開口数(焦点距離、直径、傾き)が含まれる。各パラメータの試行錯誤によるテストと実験により、個々のトラップと複数の同期トラップが最適化されます。それでも、大量のデータを収集する必要があります。
過去には、球面収差による光泳動トラップを最適化するための研究と試験プロセスは、世界中のほんの一握りの研究者によってのみ行われていました1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 .最近まで,ブリガム・ヤング大学の研究者は,必要なデータを収集するために,大規模で高価な単一のトラップシステムに頼っていたため,データのテストと収集のプロセスが遅くなっていました1,7。しかし、2018年に3D可視化のソリューションとして光学トラップディスプレイを導入して以来1、あらゆる年齢層およびいくつかの大陸の個人が研究に参加したいという願望を表明しています。OTDへの関心が高まったため、研究者はすべての利害関係者が研究プロセスに参加できるようにする方法を見つけたいと考えていました。ビームスプリッターとガルバノメーターを含む前世代の光泳動トラップリグは、大量生産とクラウドソーシングには高価で時間がかかりすぎたため1,6、別のソリューションが必要でした。
新しい小型光泳動トラップリグが開発され、すべての利害関係者が研究に参加し、上記のすべての重要なパラメータのデータを迅速にテストおよび収集することができます。3Dプリンタとレーザーカッターにアクセスできる人なら誰でも迅速に製造できます。この設計では、コストと複雑さを最小限に抑え、リスクを軽減し、自動化、相互接続性、柔軟性を最大化しようとしています(図1)。この新しいリグは、フォトフォレティックトラップに最も簡単な光学セットアップを採用しています:単一のレーザーとレンズ10。小型リグは一度セットアップすれば使いやすく、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。
将来の市民科学者や研究者のテストからこれらのリグから収集されたデータは、トラップパラメータと個々のトラップの最適化を可能にすることにより、3D視覚化に使用する際の光恐怖トラップの開発に大きく役立ちます。
Protocol
1.3D必要な材料の印刷とレーザー切断
- 下記の資料を3Dプリント
- 補足ファイル1に記載されている情報に従って、フィラメントFDM(溶融蒸着モデリング)3Dプリンタ(材料表を参照)を使用してレンズホルダーを印刷します。このレンズホルダーは、30mm(直径)のレンズ用です(図2)。
注:このファイルは、他のレンズに合わせて簡単にカスタマイズできます。 - 次に、片持ち梁プラットフォームとホルダー(図2)を印刷します(補足ファイル2と補足ファイル3)。
注:これは、プリントの詳細に応じて、〜2〜14時間かかることがあります。十分な量のトラップ物質が配置されていれば、プリントの詳細はトラップ速度に影響を与えないはずです(ステップ5.3.4)。
- 補足ファイル1に記載されている情報に従って、フィラメントFDM(溶融蒸着モデリング)3Dプリンタ(材料表を参照)を使用してレンズホルダーを印刷します。このレンズホルダーは、30mm(直径)のレンズ用です(図2)。
- 3Dレーザーカッター( 材料表を参照)を使用して、リグ片を切り取ります(図3)(補足ファイル4-5)。
注:このカットは、厚さ4分の1インチのどの材料でも行うことができますが、木材が推奨材料です。 補足ファイル 4 には、12 x 12 インチの木片に収まる必要なリグ部品が含まれています。 補足ファイル5 には、オプションのライトシールド/ブロッカーが含まれています。 - ガラスカッター( 材料表を参照)を使用して、標準的な試験管(直径約2.5 cm)を約半分に切断し、2つの開いた端を持つ半分の長さが約6.5 cmになるようにします。
2. 木製リグの組み立て
メモ: 木製リグの組み立て中に、手順 2.1 ~ 2.5 の指示に「スライド」と表示される場合がありますが、部品を適切に配置して構築するには、より多くの力が必要になる場合があります。
- Yエンブレムを上に向けてベースピースを下に置きます(図1A)。
- 1番目のレーザーホルダーをスライドさせて一方の端に配置し、最初の試験管ホルダーを他方の端に配置しながら、ベースの両側に2つの長いサイドピースを保持します(図1B、C)。
- 両方の電磁石ホルダーを横にスライドさせて、カメラホルダーにスライドさせます。マグネットホルダーが両側に約1cm離れていることを確認します(図1D)。
- マグネットホルダーとカメラホルダーをユニットとして第1試験管ホルダーの隣にスライドさせ、間隔をあけて移動させます。したがって、試験管ホルダーと第1電磁石ホルダーの間に1cm(電磁石ホルダーを過ぎたカメラホルダーの端が1cmの基準として役立つことがあります)(図1E)。
メモ:カメラホルダーとライトシールドは、ミニチュアトラップシステムの主な使用には必要ありませんが、リグのセットアップの均一性のために両方をお勧めします。
- マグネットホルダーとカメラホルダーをユニットとして第1試験管ホルダーの隣にスライドさせ、間隔をあけて移動させます。したがって、試験管ホルダーと第1電磁石ホルダーの間に1cm(電磁石ホルダーを過ぎたカメラホルダーの端が1cmの基準として役立つことがあります)(図1E)。
- 次に、第2の試験管ホルダと第2の電磁石ホルダとの間に〜1cmの間隔があるように、両方の電磁石ホルダの後に第2の試験管ホルダを配置する。
メモ:合計で、2つの試験管ホルダーの間には約4cmのスペースがあります(カメラマウントの幅は4cmで、位置決めの参考にしています)(図1F)。- オプションのライトシールド/ブロッカー(補足ファイル5)を使用する場合は、カメラホルダーから試験管ホルダーと電磁石ホルダーの反対側の端にライトシールドをスライドさせます。これは、試験管と電磁石ホルダーを中央に配置し、整列させるのに役立ちます。
- 2番目のレーザーホルダーを所定の位置にスライドさせます。正確な距離は必要ありません。推奨される距離は3〜4cmですが、これはレーザーの長さによって異なる場合があります。
- 必要に応じて、光レール( 材料表を参照)をすべてのホルダの下にスライドさせて、トラップシステムの他の要素を整列させることができます。これは、レンズをレーザーおよび試験管に合わせるのに特に有用です(図1G)。
- 電磁石( 材料表を参照)を電磁石ホルダーに入れます(図1H)。
3. 指定マイコン基板との回路の接続
- コンピュータのモニタ、キーボード、およびマウスをマイクロコントローラボードに接続します( 材料表を参照)。マイクロコントローラボードを起動し、オペレーティングシステムが機能していることを確認します。元のマイクロコントローラ構成を変更する必要はありませんが、必要に応じてVNC(仮想ネットワーク接続)とSSH(セキュアシェル)の両方を選択できます。これにより、マイクロコントローラへのリモートアクセスが可能になります。
- 電圧レギュレータ( 材料表を参照)、ブレッドボード、および数本のワイヤ(図4A)を使用して電磁石制御回路を構築します。
メモ:マイクロコントローラボードのピン番号はすべてGPIO(汎用入出力)ピンです。- 電圧レギュレータをブレッドボードに配置して、各ピンが別々の列に並ぶようにして、適切に使用できるようにします。
- 電圧レギュレータの入力ピンをマイクロコントローラボードの5V電源ピンの1つに配線します。
- 電圧レギュレータの調整ピンをマイクロコントローラボード上のGPIO 23に配線します。
- 電磁石の入力ワイヤを電圧レギュレータの出力ピンに接続します。次に、電磁石の出力ワイヤをマイクロコントローラのグランドピンに接続します。これは、ブレッドボードの別の行を使用して、追加のワイヤを使用して2つを接続する場合に最も効果的です。
4. システムを動作させるためのコードのアップロード
注: コードをアップロードするには、ステップ 4.1 またはステップ 4.2 のいずれかに従う必要があります。ステップ 4.1 では、カメラを使用しないコードの簡易バージョンについて説明します。ステップ 4.2 では、カメラを使用するバージョンについて説明します。
- 補足ファイル 6 に示されている手順に従って、手順を実行します。
- ターミナルを開き、必要なファイルを保存する場所に移動します。マイクロコントローラボード上に新しいディレクトリを作成するには、ターミナルコマンド 「mkdir」 に続いて目的のディレクトリ名を入力します。このディレクトリは、トラップリグを実行するためのファイルを保存するために使用されます。
- 補足ファイル 6 を新しいディレクトリーに挿入します。詳細については、ファイルの先頭セクションの readme セクションを参照してください。テスト番号を希望の量に変更すると、プログラムを実行する準備が整います。
メモ: このファイルには、1 回の実行で実行するテストの数を制御する num_tries という必要な変数が 1 つ含まれています。このファイルには、常に数回の一時停止が含まれているため、テストを迅速化するために短縮できます。
- 以下の手順に従って、マイクロコントローラボード上でSQLiteを実行して表示します。これには 、補足ファイル7-11 とカメラと関連する専門知識が必要です。
- 「Sudo apt-get install SQLite browser」と「Sudo apt-get install sqlite3」の ターミナルに入力して、必要なデータベースライブラリをマイクロコントローラボードにインストールします。これにより、マイクロコントローラボードは 、補足ファイル9を使用してテストからのすべてのデータを自動的に保存することができます。
- 補足ファイル 11 をカメラ スクリプトとして保存し、カメラに main.py します。これは、ファイルエクスプローラまたはカメラ用に開発された統合開発環境(IDE)を介して行うことができます(材料表を参照)。
メモ: IDE は、カメラの出力をユーザーが確認できるため、カメラが正しくピントが合っていることを確認するのに役立ちます。 - カメラをマイクロコントローラボードに接続します。カメラのアースピンを含む4本のピンを使用します。グランドピンをマイクロコントローラボードのグランドに接続する必要があります。次のピンは、次のように一致する必要があります。
- カメラ ピン 8 を GPIO 19 に接続する: このピンは、各トラップの結果を pi に送り返します。
- カメラ ピン 9 を GPIO 17 に接続する: このピンは、カメラに検索を開始する許可を与えます。
- カメラ ピン 7 を GPIO 5 に接続する: これはカメラのステータス ピンです。
- すべてのファイルを保存するディレクトリを作成します。このディレクトリを作成したら、 補足ファイル 7 ~ 10 で提供されているファイルをディレクトリに保存します。それぞれ readme.txt、main.py、electromagnet.py、test_insert.py の名前を変更します。
- 補足ファイル 7 (ReadMe.txt) をお読みください。
メモ: readme ファイルには、各ファイルの機能と、データベースのディレクトリパスなど、各ファイルで必要になる可能性のある変更について、よく説明されています。 - ステップ 4.2.1 でインストールしたデータベース・ビューアーを開きます。[ 新しいデータベース ] ボタンをクリックし、他のファイルと同じディレクトリにデータベースを保存します。新しいデータベースは、test_insert.py で見つかったデータベース・ファイルの名前と一致している必要があります。
- データベース内で、新しいデータベース内にテーブルを作成してデータを保存します。データベースには、parameter_type、トラップ、テスト名、テスト番号、rigID の 5 つのフィールドがあります。
メモ: テーブルセクションは、指定したとおりに正確でなければ、Main.py とtest_insert.pyでさらに多くの変更を行う必要があります。
5. テスト準備
- レンズホルダーの内側にレンズを入れてレンズを準備します。テスト中は、レンズがホルダーの内側にとどまっていることを確認します。いくつかのホットグルーがここで必要かもしれません。
メモ: リグでは、トラップ領域を適切に形成するために球形の両凸を使用する必要があります。 - レンズを準備した後(ステップ5.1)、レンズホルダーを光学レールの上に置き、レーザーホルダーにレーザー( 材料表を参照)を置きます。
注:材料リストで推奨されているレーザーは、使用前に校正する必要はありません。安全メガネは、レーザーの使用中はいつでも着用する必要があります。- レンズとレーザーまたはその他の光源を使用して、レーザーの焦点を見つけ、焦点が電磁石の中央になるまでレンズホルダーを光学レールに沿ってスライドさせます。
メモ: この手順はトラップに重要です。焦点が電磁石の中央にない場合、片持ち梁プラットフォームは粒子を焦点に上昇させません。 - この点に,後で参照できるように,木の土台に鉛筆で印を付けます。
メモ:各レンズには既に焦点距離測定が付属していますが、これらの測定値が常に正しいとは限りません。
- レンズとレーザーまたはその他の光源を使用して、レーザーの焦点を見つけ、焦点が電磁石の中央になるまでレンズホルダーを光学レールに沿ってスライドさせます。
- トラップ引用を準備する
- レーザーが再び正しくオフになっていることを確認します。
- ホットグルーガンを使用して、電磁石と同じ極性の小さなボタンマグネット( 材料表を参照)をプラットフォームの平らな面に接着し、電磁石がプラットフォームをはじくようにします。
注:プラットフォームが電磁石によって反発され、トラップが発生するように粒子をレーザーのビームに押し込むように、磁石の極性を適切に一致させる必要があります。 - 3Dプリントされた片持ち梁のようなプラットフォームを取り、プラットフォームを黒いアルミホイルでコーティングし、プラットフォームを溶融から保護します。
メモ:通常のホイルを使用できますが、カメラシステムを使用するにはグレアが多すぎます。黒いホイルテープ( 材料表を参照)を使用してみます。これは、カメラで正常に動作します(図5A)。ホイルは、他の物質の試験に簡単に交換できるため推奨されますが、必要に応じて同様の製品を使用できます。 - プラットフォームをアルミホイルで覆った後、ユーザーがテスト用に選択した選択したパーティクルタイプをプラットフォームの斜め側に置きます(パーティクルタイプのオプションについては 材料表 を参照するか、 図6Aを参照)。
- 片持ち梁アームを円形ホルダーにそっと挿入し、磁石側が外側を向くようにします。次に、試験管を同じホルダーに静かに挿入します。これが正しく行われていれば、磁石がガラスにほとんど触れていることになります(図5B)。
- プラットフォームが電磁石の中央になるように、試験管を試験管ホルダーの上に置きます。磁石が片持ち梁プラットフォームに適切に取り付けられている場合、片持ち梁は電磁石によってはじかれた上向きの位置にあるように見えるはずです。
- カメラホルダーにカメラを置き、プラットフォームの上/周辺で発生するトラップをキャプチャします。次に、他のすべての位置を再確認します(図1I-J)。
6. テストの開始
メモ: テストでは、手順 6.1 または手順 6.2 のいずれかに従う必要があります。
- ステップ 4.1 の指示を使用する場合は、ファイル内の start を押すか、端末からファイルを正常に開始します。
- ステップ4.2の指示を使用する場合は、以下のようなパラメータでターミナルからこのテストを開始します。
- ターミナルコマンドを使用して、適切なディレクトリ内で "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter"コマンドでファイルシステムを一度実行します。ファイル main.py は、 補足ファイル 8 に示されています。
- test_numを必要なテスト数に置き換えます。Parameter_typeを、テストが焦点を当てているパラメーターの種類に置き換えます。
注:たとえば、どのパワーレーザーが最適かを判断するためのテストが行われていた場合、Parameter_typeはlaser_powerに置き換えられ、exact_parameterは現在のレーザーの光出力パワーに置き換えられます。
Representative Results
上記のプロトコルに従うことによって達成される主な結果は、さまざまなパラメータを迅速にテストできる小型の光泳動トラップリグを作成することです。これまでのところ、これらのリグは、レーザー出力と粒子タイプの2つの重要なパラメータをテストするために使用されてきました。複数のミニチュアリグを並行して稼働させることで、研究者ははるかに大きなサンプルサイズのデータをはるかに迅速に収集できるようになりました。
上記のプロトコルを開発しながら実施された最初のテストは、レーザーパワーテストでした。このテストでは、カメラ検出システムなしで、まだ開発されていない単一のミニチュアリグが使用されました。代わりに、プロトコルのステップ 4.1 が使用されました。これには、すべてのトラップ検出のデータ収集のために研究者が同席する必要がありました。この試験の目的は、トラップが発生するための理想的なレーザー出力を決定することでした。リグ上のレーザーとレンズの間に光学減衰器(可変ニュートラル密度フィルター)を配置することにより、レーザーの光パワーがばらつきました。 図7は 、この実験の結果を示す。高い光パワー出力は、より高いトラップ率に対応していた。フルパワーのレーザーは、このテストで最も高い記録トラップ率を記録しました。しかし、この試験は、最大光パワーが〜120mWの1つのレーザーに限定されていました。
2番目のテストは、どの材料が最も高いトラップ率を持つかを決定することでした。このテストは、カメラ検出システムのない単一のミニチュアテストリグを使用して実施されました。10種類の粒子を、各粒子について100回の試行のサンプルサイズで試験した(試験されたすべての物質は、その説明とともに 材料表 に記載されています)。サンプルサイズは、データ収集のために各試行を研究者に監視させる必要があるため、100に制限されていました。必要なデータはすべて2営業日で収集されました。 図6A は、粒子型試験の結果を示す。試験した10種類の材料/粒子のうち、ダイヤモンドナノ粒子(55~75%)とプリンタートナーがそれぞれ14%と10%の割合で2つの最良の粒子タイプであることがわかりました(表1)。
最初の2つのテストの後、研究者はテスト中にアクティブな監視を必要とする単一のリグに限定されていると感じました。これは、プロトコルで概説されているステップ4.2につながった。このオプションにはカメラ検出システムが含まれており、ユーザーは一度に複数のミニチュアテストリグを実行でき、テストのためにユーザーが同席する必要はありません。
この新しいカメラシステムのテストのために、粒子型テストの修正された再テストが実施されました。この新しい粒子タイプテストのために再テストするために最初に使用された10個の異なる粒子タイプから選択されたのは、ほんの数種類の粒子タイプのみであった。選択された粒子は、新しいテストラウンドを受けた。4つのミニチュアテストリグのテストリグ「ファーム」を使用して、選択された各粒子は、合計4,000回の試行のテストサンプルサイズを有した。ここでも、必要なすべてのデータが 2 つの稼働日で収集されました (表 2)。このパーティクルタイプの再テストの主な目的は、新しいカメラシステムをテストすることでした。このテストでは、研究者がトラップを報告した最初の粒子型テストの結果と、カメラ検出システムの結果を比較することができました。試験結果は元の試験とわずかに異なっていたが、それでも同等であった(図6B)。最初の試験から最高の粒子タイプであるダイヤモンドナノ粒子55〜75%は、再試験では依然として最高でしたが、以前よりもわずかに低い捕捉率を示しました。結果の違いは、サンプルサイズが大きく、カメラ検出システムが不完全であることが原因である可能性が最も高いです。この粒子テストの結果は予想とは少し異なっていましたが、レーザー出力やレンズ焦点距離など、材料が一定に保たれる他のパラメータをテストする場合、カメラスクリプトによって収集された結果は信頼できます。
実施された3つのテストすべての結果は、それらが実行されたリグに関連していますが、データで見つかった傾向は、他のより正確なフォトフォレティックテストリグでテストすると真実であることが証明されます。ミニチュアテストリグは、他のテストリグを完全に置き換えるものではありません。それでも、研究者がエジソニアン(試行錯誤)テストですべてのパラメータと可能性を迅速かつ効率的に探索し、より正確なリグに関するさらなる研究のための傾向と発見を見つけることを可能にすることを目的としています。
図1:完成したミニチュアフォトフォレティックテストリグによるリグの進行。 この図は、ステップ 2 とそのサブステップに対応しています。(A) ステップ 2.1 を示します。(B) ステップ 2.2 の、2 つの長辺を持つベースを示します。(C)ステップ2.2、リグのフレーム、両側を持つベース、および最初のレーザーホルダーと試験管ホルダーを示します。(D)ステップ2.3は、両方の電磁石ホルダと組み合わせたカメラホルダを示しています。(E)ステップ2.3.1は、図1C、Dの組み合わせを提供し、(F)ステップ2.4、第2の試験管ホルダおよび第2のレーザホルダが追加されている。(G) オプションの遮光板と光レールを追加。(H)電磁石をホルダーに入れる。(I)レーザーと試験管がホルダーに入れられていること。(J)これは、マイクロコントローラボードの電源なしで完了したテストティグ全体を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:3Dプリントされた作品 この図には、レンズホルダー、円形プラットフォームホルダー、片持ち梁プラットフォームが含まれています。3D プリントされたレンズホルダーのデザインは、 補足ファイル 1 にあります。このレンズホルダーは、印刷時に、直径30mmのレンズ用です。 補足ファイル 2-3 には、プラットフォームホルダーとプラットフォームの設計が含まれています。プラットフォームホルダーには、プラットフォームが使用できる4つのセットがありますが、リグが設計どおりに動作するためには、プラットフォームは図に示されている穴を使用する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ラベル付きレーザーカットピース この図は、オプションのライトシールドを除くすべてのレーザーカットピースのファイルを含む 補足ファイル4の断片にラベルを付けます。印刷後、1つのベース、2つの側面、2つのレーザーホルダー、2つの試験管ホルダー、2つの電磁石ホルダー、および2つのカメラホルダー(1つだけが必要です)があるはずです。オプションのライトシールドは、 補足ファイル5にあります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:電圧レギュレータと電磁石 回路。(A)参考までに、回路を構築する場合。電圧レギュレータには、調整、入力、出力の3つのピンがあります。(B)この図は、ステップ3で説明した完成した回路を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:プラットフォームの準備と試験管トラップの引用 。(A)テストを行う前に、プラットフォームを準備する必要があります。レーザーが粒子を拾うために輝く粒子の貯蔵庫は、テストの直前にプラットフォームに配置されます。黒いアルミニウム箔は、粒子の前にプラットフォーム上に配置する必要があります。これにより、レーザーがプラットフォームを通って溶融するのを防ぎます。(B)試験中、粒子の実際のトラップは試験管内で起こり、トラップ試行ごとにプラットフォームの一貫した自動動作を保証します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:パーティクルタイプテスト(手動)と(カメラ) (A)最も捕捉率の高い粒子を見つけるために、10種類の粒子の試験を実施した。(B)カメラ検出システムで第2の粒子型試験を実施した。元の10個の粒子のうち4個の粒子のみが試験された。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:レーザー出力テスト結果 異なるレーザーパワーレベルに対するトラップの速度は、レーザーパワーテスト中に測定された。より高いパワーは、トラップのより高いレートを生み出しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 黒液(粉末) | ブラックリカー(ペースト) | タングステン(12ミクロン) | タングステン(1-5ミクロン) | アルミニウム粉末 | プリンタトナー | 石墨 | ダイヤモンドナノ粒子 (95%) | ダイヤモンドナノ粒子(55-75%) | ニグロシン | ||
| 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% | ||
表 1: 最高のトラップ速度を持つパーティクル タイプ テストの結果。 100回の試行の合計サンプルサイズは、各材料について25の4セットで実行された。
| ブラックリカーペースト | ダイヤモンドナノ粒子55-75% | 石墨 | タングステン(12ミクロン) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
表2:カメラ検出システムで実施した粒子型試験の結果。 SQLite データベースから収集されたデータ。データは当初、材料あたり4000のサンプルサイズに対して1000の4セットにまとめられました。各セットの個々のレコードは SQLite からコンパイルされませんでした。合計パーセンテージのみがコンパイルされました。
補足ファイル 1: File_1レンズホルダー.stl.これには、レンズホルダー用の 3D 印刷ファイルが含まれています ( 図 2 参照)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 2: File_2-Platform.stl.これには、片持ち梁プラットフォーム用の3D印刷ファイルが含まれています( 図2参照)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 3: File_3プラットフォームホルダー.stl.これには、プラットフォームホルダー用の 3D 印刷ファイルが含まれています ( 図 2 参照)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 4: File_4-Rig Pieces.odg.これには、リグピースのレーザー切断ファイルが含まれています(図 1 と 図3を参照)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 5: File_5-Light Shield.odg.これには、オプションの遮光板/ブロッカー用のレーザー切断ファイルが含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル6:File_6-Opt1.system.py。これには、手順 4.1 の命令を使用するためのコード全体が含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 7: File_7-Opt2.Read Me.txt.ここには、補足ファイル 8 ~ 11 の詳細が記載された readme ファイルが含まれています。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル8:File_8-Opt2.main.py。これには、手順 4.2 で見つかった手順のメインスクリプトが含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル9:File_9-Opt2.electromagnet.py。これには、電磁石を制御するステップ 4.2 のスクリプトが含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル10:File_10-Opt2.test_insert.py。これには、データベースにデータを自動的にアップロードする手順 4.2 のスクリプトが含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル11:File_11-Opt2.camera_controller.py。これには、手順 4.2.2 でカメラにアップロードする必要があるスクリプトが含まれています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Discussion
現在のプロトコルには、トラップリグの自動実行に不可欠ないくつかの重要なステップが含まれています。まず、電磁石は、指定された回路を介してマイクロコントローラボードに適切に取り付ける必要があります。電磁石がなければ、小型テストリグの全体的な有用性が失われます。電磁石は、片持ち梁プラットフォーム上の粒子リザーバをレーザーの経路に引き上げることによって、各捕捉試行を制御する。各トラップの試行は、プラットフォームを上下させる別のサイクルです。
カメラは、プロトコルで説明されているようにステップ4.2でのみ使用されますが、そのオプションでは重要です。ステップ4.2では、粒子がトラップされているかどうかを検出するためにカメラが必要であり、複数のリグからのデータ収集を可能にします。カメラが正しく取り付けられていない場合、リグはトラップを試行できません。
3番目の最も重要なステップであるステップ5.2.1は、レーザーの位置合わせと集束です。焦点が電磁石の上に生じるようにレンズを配置する必要があります。片持ち梁プラットフォームは電磁石上の焦点を通過し、粒子が捕捉することを可能にする。焦点が電磁石の中央より上の中心にないとします。その場合、粒子を運ぶ片持ち梁プラットフォームが焦点を通過してトラップを作成することを保証することは困難になります。これはトラップの欠如につながる可能性があります。また、レーザー経路が常にプラットフォームに接触しないように、プラットフォームを電磁石上に上昇させることも不可欠です。これにより、カメラが誤検知を報告する可能性があります。焦点の位置をより簡単に調整するには、リグのセットアップに光レールを使用することをお勧めします。これにより、ユーザーはレンズホルダーを後方または前方に簡単にスライドさせて、焦点を適切に配置できます。レーザーと試験管/片持ち梁の部分は、リグが適切に構築されていればすでに整列されています。光学レールを使用すると、レンズが他の部品と整列したままになります。
プロトコルでは、ステップ 4.1 とステップ 4.2 の 2 つの別個のオプションが詳述されています。最初のオプションであるステップ4.1は、ミニチュアタッピングリグを実行するための元の簡単な方法です。このオプションは、カメラシステムの代わりに人間の目に依存して粒子を検出します。このオプションは、小さなデータセットをすばやく収集する場合や、ライブデモが必要な状況で収集する場合に最適です。最初のオプションは、2 番目のオプションが作成される前に、最初の 2 つの実験で使用されました。2番目のオプションであるステップ4.2は、カメラを使用して自動検出とトラップを行い、何千ものテストを実行し、人間の監督なしにデータベースに入力できるようにします。カメラの精度は、正確なテスト条件によって異なります。特定のより反射性の高い材料は、試験されたとき、人間の検出で行われた同様の試験と比較して、より正確な捕捉率を有するように見えた。ただし、カメラスクリプトのいくつかのパラメータを変更して、カメラの精度を上げることができます。カメラの正確な精度は改善できるものですが、ミニチュアリグは初期テスト用であるため、大きな問題でもありません。2番目のオプションは、1つのマイクロコントローラボードから2つのテストリグを実行するように簡単に変更することもできます。この変更の詳細については、 補足ファイル 7 を参照してください。
現在の研究は、機械学習を通じて、より正確で一貫性のある自動トラップ検出形式を開発しています。この新しい機械学習検出システムは、完成すると、畳み込みニューラルネットワークを使用して、捕捉された粒子をはるかに高い精度(95%以上)でより正確に検出し、このような小型テストリグの使用と効果をさらに強化します光泳動トラップディスプレイ研究の将来。
現在のベースフォームでは、ミニチュアトラップリグはいくつかの点で制限されています。これらのミニチュアリグは、トラップが発生した後にパーティクルをスキャンして実際のOTDを作成することはできません。この設計により、OTDの作成に将来使用するためにスキャナが追加される可能性も制限されます。設計のもう 1 つの制限は、特定のテストを実行するために追加のコンポーネントが必要であることです。例えば、可変光減衰器を使用して、レーザー出力試験中に異なる光出力パワーレベルでデータセットを収集しました。同様に、研究者が将来のテストでレーザー波長をテストしたい場合、この研究で使用されるレーザーに加えて、異なる波長を持つ同等の光パワーの他のいくつかのレーザーが必要になります。リグは各レーザーを保持するために追加の修正を必要とする可能性が最も高く、このプロセスはそのようなテストを実施できる速度を制限するが、それでも可能である。この設計は、レンズごとに新しいレンズホルダーを3Dプリントする必要があることによっても決定されます。設計と用途は球面両凸レンズにも限定され、球面収差が生じてトラップが発生する可能性のある領域を形成します。
今後のアプリケーションには、光泳動トラップパラメータの継続的なテストと最適化が含まれます。上記で簡単に述べたように、小型トラップリグは、y軸およびx軸制御用のスキャナを追加することで、基本的な安価なOTDシステムに簡単に変更できます。小型トラップリグで使用される電磁石制御粒子送達は、将来の高度なOTDシステムにも実装される可能性があります。
ミニチュアトラップリグは、安価かつ迅速に製造でき、迅速な大量試験を可能にするため、この研究分野では最終的にユニークで独特です。これらのリグは、光泳動トラップパラメータの初期テストと最適化のために設計されたリーンシステムであることを意図しています。個々のリグは、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。他の多くのタイプの光泳動トラップシステムまたはリグは、より良い自動システムを持つか、トラップが成功した後に画像を作成するために粒子をスキャンすることによってより多くのことを達成するために開発されました1,8。これらのミニチュアトラップシステムは、そのようなシステムの使用を置き換えるものではありません。これらは、光泳動トラップのパラメータと条件を迅速にテストして、研究者が良好な光泳動トラップを可能にするものをよりよく理解することを目的としています。ミニチュアトラップリグは、光恐怖トラップ研究を民主化し、この研究分野におけるエジソンの実験と進歩の新しい波を可能にします。
Disclosures
著者らは開示するものは何もありません。
Acknowledgments
著者らは、米国国立科学財団からの財政的支援に感謝の意を表している。NSFアワード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).
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- 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).
