Summary
Este trabalho descreve e caracteriza a fabricação de plataformas de trapping fotophoretic automático em miniatura.
Abstract
Este artigo apresenta uma plataforma de teste de armadilha fotoforética automatizada, rápida e compatível com fab para permitir a democratização e crowdsourcing de pesquisas de exibição volutiva. A plataforma pode ser construída dentro de 2 h usando um cortador a laser, impressora tridimensional (3D) e ferramentas manuais comuns. Em sua forma atual, a plataforma pode ser usada para testar os seguintes parâmetros críticos: tipo de partícula, tipo de armadilha, abertura numérica e fluxo de ar a uma taxa de aproximadamente 250 amostras por hora. Com pequenas modificações, a plataforma pode ser feita para testar um conjunto ainda maior de parâmetros, como potência laser e comprimento de onda laser, dependendo das necessidades do usuário. A plataforma pode usar visão de máquina para captura e análise automatizada de dados. A operação e a construção da plataforma de teste são descritas com passos conciso e fáceis de seguir. Os resultados de uma "fazenda" de plataforma de teste de quatro unidades que cobre os parâmetros do tipo de energia e partículas são relatados. Esta plataforma ampliará o escopo e a composição de parâmetros de exibição de armadilha óptica e pesquisadores por meio da acessibilidade e democratização.
Introduction
O display de armadilha óptica (OTD) torna possível as geometrias de exibição vistas na ficção científica. Ele opera prendendo uma partícula através da fotoferésia e iluminando a partícula1,2,3,4. Em seguida, arrastar essa partícula pelo espaço forma uma imagem no ar que o espectador percebe como contínua pela persistência da visão5. Esta tecnologia 3D sem tela permite que ele exiba geometrias como projeções de lançamento longo, mesas de areia altas e displays envolvente1. Essas geometrias são exclusivamente convincentes porque não exigem tela e criam conteúdo que pode ser visto de praticamente todos os ângulos.
Pesquisadores da Universidade Brigham Young encontraram sucesso inicial em seu sistema de captura fotoforética de primeira geração usando um expansor de feixe e scanners galvanômetros, juntamente com vários espelhos e uma ou mais lentes esféricas para criar uma armadilha fotoforética através de uma aberração esférica1,4. Esta plataforma de trapping de primeira geração também continha lasers RGB (vermelho-verde-azul) para permitir uma iluminação de exibição colorida precisa. Usando este sistema de trapping, os OTDs são criados movendo uma única partícula através de um caminho complicado. Essa abordagem limita o tamanho das imagens a menos de um centímetro cúbico e limita a complexidade das imagens em tempo real a wireframes e outros conteúdos esparsos6,7. Além disso, o dimensionamento desta tecnologia é limitado pela inconsistência das armadilhas fotoforéticas8. Se um único sistema de armadilha/partícula puder ser otimizado, o dimensionamento do display poderá ser alcançado replicando uma armadilha otimizada e sincronizando e escaneando várias partículas9. Qualquer problema com uma única armadilha será composto em um sistema multi-trap, por isso a otimização cuidadosa dos parâmetros de armadilha e partículas é fundamental.
A otimização de um sistema individual de armadilha/captura requer testes extensivos para cada parâmetro do sistema de captura foforética7. Tais parâmetros incluem tipo de partícula (substância, forma, tamanho), poder laser, comprimento de onda laser e abertura numérica (distância focal, diâmetro, inclinação). Testes e experimentação através de tentativa e erro para cada parâmetro otimizarão armadilhas individuais e múltiplas armadilhas síncronas. Ainda assim, eles exigirão grandes quantidades de dados para serem coletados.
No passado, o processo de pesquisa e teste para otimização da captura fotoforética através da aberração esférica só foi feito por um punhado de pesquisadores em todo o mundo1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Até recentemente, pesquisadores da Universidade Brigham Young contavam com um único, grande e caro sistema de captura para coletar os dados necessários, o que fez com que o processo de teste e coleta de dados fosse lento1,7. No entanto, desde a introdução de monitores de armadilha óptica como solução para visualização 3D em 20181, indivíduos de todas as faixas etárias e de vários continentes manifestaram o desejo de participar da pesquisa. Devido ao interesse gerado pelos OTDs, os pesquisadores têm procurado encontrar uma maneira de permitir que todas as partes interessadas participem do processo de pesquisa. As gerações anteriores de plataformas de captura fotoforética, que continham divisores de feixes e galvanizadores, eram muito caras e demoradas para produzir em massa e crowdsource1,6, então uma solução diferente era necessária.
Foi desenvolvida uma nova plataforma de trapping fotoforética em miniatura, que permite que todas as partes interessadas participem da pesquisa e testem e reúnam rapidamente dados para todos os parâmetros significativos mencionados acima. Eles podem ser fabricados rapidamente por qualquer um que tenha acesso a uma impressora 3D e cortador a laser. Este design tenta minimizar custos e complexidades, mitigar riscos e maximizar a automação, interconectividade e flexibilidade (Figura 1). A nova plataforma emprega a configuração óptica mais simples possível para captura fotoforética: um único laser e lente10. As pequenas plataformas são simples de usar uma vez configuradas e podem testar a uma taxa de aproximadamente 250 tentativas por hora.
Os dados coletados dessas plataformas a partir dos testes de futuros cientistas cidadãos e pesquisadores ajudarão significativamente a desenvolver armadilhas fotopforéticas em seu uso para visualização 3D, permitindo a otimização de parâmetros de trapping e armadilhas individuais.
Protocol
1.3D impressão e corte a laser dos materiais necessários
- Imprima em 3D os materiais listados abaixo
- Imprima o suporte da lente usando uma impressora 3D FDM (Fused Deposition Modeling) (ver Tabela de Materiais) de acordo com as informações fornecidas no Arquivo Suplementar 1. Este suporte de lente é para uma lente de 30 mm (diâmetro) (Figura 2).
NOTA: O arquivo pode ser facilmente personalizado para caber outras lentes. - Em seguida, imprima a plataforma cantilever e o titular (Figura 2) (Arquivo Complementar 2 e Arquivo Suplementar 3).
NOTA: Isso pode levar ~2-14 h, dependendo dos detalhes das impressões. O detalhe das impressões não deve afetar a taxa de trapping se for colocado o suficiente da substância de captura (etapa 5.3.4).
- Imprima o suporte da lente usando uma impressora 3D FDM (Fused Deposition Modeling) (ver Tabela de Materiais) de acordo com as informações fornecidas no Arquivo Suplementar 1. Este suporte de lente é para uma lente de 30 mm (diâmetro) (Figura 2).
- Utilizando um cortador a laser 3D (ver Tabela de Materiais), corte as peças da plataforma (Figura 3) (Arquivo Suplementar 4-5).
NOTA: Este corte pode ser feito em qualquer material de espessura de 25 cm, mas a madeira é o material recomendado. O arquivo suplementar 4 contém as peças necessárias para a plataforma que cabem em um 12 x 12 em pedaço de madeira. O arquivo complementar 5 inclui um escudo/bloqueador de luz opcional. - Usando um cortador de vidro (ver Tabela de Materiais), corte um tubo de ensaio padrão (~2,5 cm de diâmetro) aproximadamente ao meio para que a metade com duas extremidades abertas seja ~6,5 cm de comprimento.
2. Montagem das plataformas de madeira
NOTA: Durante a montagem da plataforma de madeira, as instruções nas etapas 2.1 -2.5 podem dizer "slide", mas as peças podem exigir mais força para serem adequadamente posicionadas e construídas.
- Coloque a peça base para baixo com o emblema Y voltado para cima (Figura 1A).
- Segure as duas peças laterais longas em ambos os lados da base, enquanto o primeiro suporte a laser é deslizado para colocar em uma extremidade e o primeiro suporte do tubo de ensaio do outro lado (Figura 1B,C).
- Para o lado, deslize os dois suportes de eletroímã para o suporte da câmera. Certifique-se de que os suportes do ímã estão separados por ~1 cm em cada lado (Figura 1D).
- Deslize os suportes do ímã e o suporte da câmera como uma unidade ao lado do primeiro suporte do tubo de ensaio, espaçado. Assim, 1 cm entre o suporte do tubo de ensaio e o primeiro suporte de eletroímã (a borda do suporte da câmera após o suporte de eletroímã pode servir como referência para 1 cm) (Figura 1E).
NOTA: Tanto o suporte da câmera quanto o escudo de luz não são necessários para o uso primário do sistema de trapping em miniatura, mas ambos são recomendados para a uniformidade da configuração da plataforma.
- Deslize os suportes do ímã e o suporte da câmera como uma unidade ao lado do primeiro suporte do tubo de ensaio, espaçado. Assim, 1 cm entre o suporte do tubo de ensaio e o primeiro suporte de eletroímã (a borda do suporte da câmera após o suporte de eletroímã pode servir como referência para 1 cm) (Figura 1E).
- Em seguida, coloque o segundo suporte do tubo de ensaio após ambos os suportes de eletroímã para que haja ~1 cm de espaço entre o segundo suporte do tubo de ensaio e o segundo suporte de eletroímã.
NOTA: No total, entre os dois suportes de tubo de ensaio, há ~4 cm de espaço (o suporte da câmera tem uma largura de 4 cm, para uma referência de posicionamento) (Figura 1F).- Se usar o escudo/bloqueador de luz opcional (Arquivo Suplementar 5), deslize o escudo de luz para a extremidade oposta dos suportes do tubo de ensaio e suportes de eletroímã do suporte da câmera; isso ajudará a centralizar e alinhar os suportes de tubo de ensaio e eletroímã.
- Deslize o segundo suporte a laser no lugar; nenhuma distância exata é necessária. A distância recomendada é de 3-4 cm, mas isso pode precisar variar dependendo do comprimento do laser.
- Se desejar, um trilho óptico (ver Tabela de Materiais) pode ser deslizado sob todos os suportes para alinhar outros elementos do sistema de trapping. Isso será particularmente útil para alinhar a lente com o laser e o tubo de ensaio (Figura 1G).
- Coloque o eletroímã (ver Tabela de Materiais) nos suportes de eletroímã (Figura 1H).
3. Conexão do circuito com a placa microcontroladora especificada
- Conecte um monitor de computador, teclado e mouse à placa de microcontrolador (ver Tabela de Materiais). Inicialização da placa de microcontrolador e garanta que o sistema operacional esteja funcionando. Não são necessárias alterações nas configurações originais de microcontroladores, embora tanto o VNC (conexão de rede virtual) quanto o SSH (shell seguro) possam ser selecionados se desejarem. Isso permitiria acesso remoto ao microcontrolador.
- Construa o circuito de controle de eletroímã usando um regulador de tensão (ver Tabela de Materiais), uma tábua de pão e alguns fios (Figura 4A).
NOTA: Todos os números de pinos para a placa de microcontrolador são os pinos GPIO (entrada e saída de propósito geral).- Coloque o regulador de tensão na tábua de pão para que cada pino esteja em uma linha diferente para permitir o uso adequado.
- Ligue o pino de entrada do regulador de tensão a um dos pinos de alimentação de 5V na placa de microcontrolador.
- Fio o pino de ajuste do regulador de tensão para GPIO 23 na placa de microcontrolador.
- Conecte o fio de entrada do eletroímã ao pino de saída do regulador de tensão. Em seguida, conecte o fio de saída do eletroímã a um pino de terra no microcontrolador; isso é melhor alcançado ao usar outra linha na prancha para conectar os dois usando um fio adicional.
4. Carregando o código para operar o sistema
NOTA: Para carregar o código, a etapa 4.1 ou a etapa 4.2 precisam ser seguidas. A etapa 4.1 fornece instruções para a versão simples do código que não usa uma câmera. O passo 4.2 fornece instruções para a versão que usa uma câmera.
- Execute as etapas em alinhamento com as instruções fornecidas no Arquivo Suplementar 6.
- Abra o terminal e navegue até o local para armazenar os arquivos necessários. Crie um novo diretório na placa de microcontrolador digitando o comando terminal 'mkdir' seguido do nome do diretório desejado. Este diretório será usado para armazenar os arquivos para executar a plataforma de armadilhas.
- Insira o arquivo suplementar 6 no novo diretório. Consulte a seção readme na seção inicial do arquivo para obter detalhes. Depois de alterar o número do teste para o valor desejado, o programa está pronto para ser executado.
NOTA: Este arquivo contém uma variável necessária chamada num_tries que controla quantos testes fazer em uma execução. Este arquivo sempre inclui algumas pausas, que podem ser encurtadas para testes mais rápidos.
- Execute e visualize o SQLite na placa de microcontrolador seguindo os passos abaixo. Isso requer o Arquivo Suplementar 7-11 e uma câmera e a perícia relevante.
- Instale as bibliotecas de banco de dados necessárias na placa de microcontrolador digitando no terminal 'Sudo apt-get install SQLite browser' e 'Sudo apt-get install sqlite3'. Isso permitirá que a placa de microcontrolador armazene automaticamente todos os dados dos testes usando o Arquivo Suplementar 9.
- Salve o arquivo suplementar 11, o script da câmera main.py na câmera. Isso pode ser feito através de um explorador de arquivos ou do ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) desenvolvido para a câmera (ver Tabela de Materiais).
NOTA: O IDE é recomendado porque permite que os usuários vejam a saída da câmera, o que ajuda na garantia de que a câmera está se concentrando corretamente. - Conecte a câmera à placa do microcontrolador. Use 4 pinos, incluindo o pino de chão da câmera. Conecte o pino de terra ao chão da placa de microcontrolador. Os seguintes pinos devem coincidir conforme mencionado abaixo:
- Conecte o pino da câmera 8 ao GPIO 19: Este pino envia os resultados de cada armadilha de volta para o pi.
- Conecte o pino da câmera 9 ao GPIO 17: Este pino dá à câmera permissão para iniciar a busca.
- Conecte o pino da câmera 7 ao GPIO 5: Este é o pino de status da câmera.
- Crie um diretório para armazenar todos os arquivos. Após a criação deste diretório, salve os arquivos conforme fornecido no Arquivo Suplementar 7-10 no diretório; renomeá-los .txt, main.py, electromagnet.py e test_insert.py, respectivamente.
- Leia através do Arquivo Complementar 7 (ReadMe.txt).
NOTA: O arquivo readme dá uma boa explicação do que cada arquivo faz e das alterações que podem ser necessárias em cada arquivo, como o caminho do diretório do banco de dados. - Abra o visualizador do banco de dados instalado na etapa 4.2.1. Clique no novo botão do banco de dados e salve o banco de dados no mesmo diretório que os outros arquivos. O novo banco de dados deve corresponder ao nome do arquivo de banco de dados encontrado em test_insert.py.
- Dentro do banco de dados, crie uma tabela dentro do novo banco de dados para salvar os dados. O banco de dados tem 5 campos, parameter_type, presos, nome de teste, testnum e rigID.
NOTA: As seções de tabela devem ser precisas, pois especificadas ou mais alterações precisarão ser feitas em Main.py e test_insert.py.
5. Preparações de teste
- Prepare a lente colocando a lente dentro do suporte da lente. Certifique-se de que a lente fique dentro do suporte durante o teste. Pode ser necessária uma cola quente aqui.
NOTA: A plataforma requer o uso de um bi-convexo esférico para garantir a formação adequada das regiões de captura. - Após a preparação da lente (passo 5.1), coloque o porta-lentes no trilho óptico e o laser (ver Tabela de Materiais) no suporte a laser.
NOTA: O laser sugerido na lista de materiais não requer calibração antes do uso. Os óculos de segurança devem ser usados sempre que o laser estiver em uso.- Usando a lente e o laser ou outra fonte de luz, encontre o ponto focal do laser e deslize o suporte da lente ao longo do trilho óptico até que o ponto focal esteja centrado sobre o eletroímã.
NOTA: Este passo é fundamental para a captura; se o ponto focal não estiver centrado sobre o eletroímã, a plataforma cantilever não levantará partículas no ponto focal. - Marque este ponto com um lápis na base de madeira para referência futura.
NOTA: Cada lente já vem com uma medição de distância focal, mas essas medidas nem sempre estão corretas.
- Usando a lente e o laser ou outra fonte de luz, encontre o ponto focal do laser e deslize o suporte da lente ao longo do trilho óptico até que o ponto focal esteja centrado sobre o eletroímã.
- Prepare a citação de armadilhas
- Certifique-se de que o laser está desligado corretamente novamente.
- Usando uma pistola de cola quente, cole um pequeno ímã de botão (ver Tabela de materiais) da mesma polaridade que o eletroímã na superfície plana da plataforma para que o eletroímã repele a plataforma.
NOTA: A polaridade dos ímãs deve ser combinada adequadamente para que a plataforma seja repelida pelo eletroímã, empurrando as partículas para o feixe do laser para que a captura possa ocorrer. - Pegue a plataforma impressa em 3D, cantilever-like e cubra a plataforma em papel alumínio preto, que protege a plataforma do derretimento.
NOTA: A folha regular pode ser usada, mas causa muito brilho para o sistema de câmera ser usado. Tente usar a fita de papel alumínio preto (ver Tabela de materiais), que funciona bem com a câmera (Figura 5A). A folha é recomendada porque pode ser facilmente substituída para testar outras substâncias, mas produtos semelhantes podem ser usados se desejarem. - Depois de cobrir a plataforma com a folha de alumínio, coloque o tipo de partícula selecionada escolhido pelo usuário para testes no lado inclinado da plataforma (consulte Tabela de Materiais para opções de tipo de partículas ou consulte Figura 6A).
- Insira suavemente os braços cantilever no suporte circular para que o lado do ímã esteja voltado para fora. Em seguida, insira suavemente o tubo de ensaio no mesmo suporte. Se isso tiver sido feito corretamente, o ímã estará quase tocando o vidro (Figura 5B).
- Coloque o tubo de ensaio sobre os suportes do tubo de ensaio para que a plataforma esteja centrada sobre o eletroímã. Se o ímã foi apropriadamente ligado à plataforma cantilever, o cantilever deve parecer estar em uma posição ascendente repelida pelo eletroímã.
- Coloque a câmera no suporte da câmera para capturar quaisquer armadilhas que ocorram acima/ao redor da plataforma. Em seguida, verifique novamente todos os outros posicionamentos (Figura 1I-J).
6. Início do teste
NOTA: Para o teste, a etapa 6.1 ou a etapa 6.2 precisam ser seguidas.
- Se usar instruções da etapa 4.1, pressione iniciar no arquivo ou iniciar o arquivo normalmente a partir do terminal.
- Se utilizar instruções da etapa 4.2, inicie este teste a partir do terminal com os parâmetros mencionados abaixo.
- Usando comandos de terminal, execute o sistema de arquivos uma vez dentro do diretório adequado com o comando "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". O arquivo main.py está previsto no Arquivo Complementar 8.
- Substitua o test_num pelo número de testes desejados. Substitua a Parameter_type pelo tipo de parâmetro em que o teste está focado.
NOTA: Por exemplo, se os testes estivessem sendo feitos para determinar qual laser alimentado é melhor, Parameter_type seriam substituídos por laser_power, e o exact_parameter seria substituído pela potência de saída óptica do laser atual.
Representative Results
O principal resultado alcançado seguindo o protocolo acima é a criação de uma plataforma de captura fotopforética em miniatura, que pode testar rapidamente vários parâmetros. Até agora, essas plataformas foram usadas para testar dois parâmetros críticos, poder laser e tipo de partícula. A execução paralela de várias plataformas em miniatura permitiu aos pesquisadores coletar dados com tamanhos amostrais muito maiores em um período muito mais rápido de tempo.
O primeiro teste, realizado durante o desenvolvimento do protocolo acima, foi um teste de potência a laser. Uma única plataforma em miniatura foi usada durante este teste, sem o sistema de detecção de câmeras, pois ainda não havia sido desenvolvido; em vez disso, o passo 4.1 do protocolo foi usado. Isso exigiu que um pesquisador estivesse presente para a coleta de dados de todas as detecções de armadilhas. O objetivo deste teste era determinar a saída de energia laser ideal para que a captura ocorresse. Ao colocar um atenuante óptico (filtro de densidade neutra variável) entre o laser e a lente na plataforma, a potência óptica do laser foi varried. A Figura 7 mostra os resultados deste experimento. Uma alta saída de energia óptica correspondia a uma taxa mais alta de trapping. O laser em potência máxima tinha a maior taxa de captura registrada para este teste. No entanto, este teste foi limitado a um laser com potência óptica máxima de ~120 mW.
O segundo teste foi determinar qual material ou substância teria a maior taxa de captura. Este teste foi realizado usando uma plataforma de teste em miniatura singular sem o sistema de detecção de câmeras. Dez partículas diferentes foram testadas com um tamanho amostral de 100 tentativas para cada partícula (todas as substâncias testadas podem ser encontradas na Tabela de Materiais com suas descrições ). O tamanho da amostra foi limitado a 100 devido à necessidade de um pesquisador observar cada tentativa de coleta de dados. Todos os dados necessários foram coletados em dois dias úteis. A Figura 6A mostra os resultados do teste do tipo de partículas. Dos 10 tipos de materiais/partículas testados, verificou-se que as nanopartículas de diamante (55-75%) e o toner da impressora eram os dois melhores tipos de partículas com taxas de 14% e 10%, respectivamente (Tabela 1).
Após os dois primeiros testes, os pesquisadores se sentiram limitados a uma plataforma singular que exigia observação ativa durante os testes; isso levou à etapa 4.2 descrita no protocolo. Esta opção inclui um sistema de detecção de câmera, que permite que os usuários executem várias plataformas de teste em miniatura por vez e não requer um usuário presente para testes.
Para testar este novo sistema de câmera, foi realizado um novo teste modificado do tipo de partículas. Apenas alguns tipos diferentes de partículas foram selecionados entre os 10 usados inicialmente para serem retestados para este novo teste do tipo de partículas. As partículas selecionadas foram submetidas a uma nova rodada de testes. Usando uma plataforma de teste "fazenda" de quatro plataformas de teste em miniatura, cada uma das partículas selecionadas tinha um tamanho total de amostra de teste de 4.000 tentativas. Mais uma vez, todos os dados necessários foram coletados em dois dias úteis completos (Tabela 2). O objetivo principal deste tipo de partícula era testar o novo sistema de câmeras. Este teste permitiu comparar os resultados do teste inicial do tipo de partículas, com um pesquisador relatando as armadilhas, com os resultados do sistema de detecção de câmeras. Os resultados dos testes foram ligeiramente diferentes dos testes originais, mas ainda comparáveis (Figura 6B). O melhor tipo de partícula do teste inicial, as nanopartículas de diamante 55-75%, ainda era o melhor no reteste, mas tinha uma taxa de trapping ligeiramente menor do que antes. A diferença de resultados é mais provável devido a um tamanho amostral maior e um sistema de detecção de câmera imperfeito. Embora os resultados deste teste de partículas tenham sido ligeiramente diferentes do esperado, ao testar outros parâmetros onde o material permanece constante, como potência laser ou distância focal da lente, os resultados obtidos pelo script da câmera serão confiáveis.
Os resultados dos três testes realizados são relativos às plataformas em que foram realizados, mas as tendências encontradas nos dados provarão ser verdadeiras quando testadas em outras plataformas de teste fotoforética mais precisas. As plataformas de teste em miniatura não são destinadas a substituir totalmente outras plataformas de teste. Ainda assim, eles devem permitir que os pesquisadores explorem todos os parâmetros e possibilidades de forma rápida e eficiente nos testes edisonianos (tentativa e erro) para encontrar tendências e descobertas para novas pesquisas sobre plataformas mais precisas.
Figura 1: Progressão da plataforma com a plataforma de teste fotoforética em miniatura completa. A figura corresponde ao passo 2 e seus sub-passos. (A) Mostra o passo 2.1. (B) Demonstra o passo 2.2, a base com os dois lados longos. (C) Mostra o passo 2.2, o quadro da plataforma, uma base com ambos os lados e o primeiro suporte a laser e suporte de tubo de ensaio. (D) O passo 2.3 mostra o suporte da câmera combinado com ambos os suportes de eletroímã. (E) A etapa 2.3.1 oferece a combinação das Figuras 1C,D. (F) Passo 2.4, o segundo suporte do tubo de ensaio e o segundo suporte a laser foram adicionados. (G) O escudo de luz opcional e o trilho óptico foram adicionados. (H) O eletroímã é colocado em seu suporte. (I) O laser e o tubo de ensaio foram colocados em seus suportes. (J) Isso mostra todo o teste completo tig sem a fonte de energia para a placa microcontrolador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: peças impressas em 3D. Incluído nesta figura estão o porta-lentes, o suporte de plataforma circular e a plataforma cantilever. O design do porta-lentes impressos em 3D pode ser encontrado no Arquivo Suplementar 1. Este suporte de lente, quando impresso, é para uma lente de 30 mm de diâmetro. O Arquivo Suplementar 2-3 contém os desenhos para o titular da plataforma e da plataforma. O suporte da plataforma possui quatro conjuntos que a plataforma pode usar, mas para que a plataforma funcione conforme projetado, a plataforma deve usar os orifícios indicados na figura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Peças de corte a laser rotuladas. Esta figura rotula as peças do Arquivo Suplementar 4, que contém o arquivo para todas as peças cortadas a laser, exceto para o escudo de luz opcional. Após a impressão, deve haver 1 base, 2 lados, 2 suportes a laser, 2 suportes de tubo de ensaio, 2 suportes de eletroímã e 2 suportes para câmeras (apenas um é necessário). O escudo de luz opcional pode ser encontrado no Arquivo Suplementar 5. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Regulador de tensão e circuito de eletroímã. (A) Para referência, ao construir o circuito. O regulador de tensão tem 3 pinos, um ajuste, entrada e saída. (B) Esta figura mostra o circuito completo descrito na etapa 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Preparações da plataforma e armadilha de tubo de ensaio citam. (A) Antes que os testes possam ser feitos, a plataforma deve ser preparada. O reservatório de partículas onde o laser brilhará para captar partículas será colocado na plataforma imediatamente antes dos testes. A folha de alumínio preta deve ser colocada na plataforma antes das partículas. Isso evita que o laser derreta através da plataforma. (B) Durante o teste, a captura real de partículas ocorre dentro do tubo de ensaio, garantindo um movimento automático consistente da plataforma para cada tentativa de armadilha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Teste do tipo partícula (manual) e (câmera). (A) Um teste de 10 partículas diferentes foi realizado para encontrar a partícula com a melhor taxa de captura. (B) Um segundo teste do tipo de partículas foi realizado com um sistema de detecção de câmeras. Apenas 4 das 10 partículas originais foram testadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Resultados do teste de energia laser. A taxa de captura para diferentes níveis de potência laser foi medida durante o teste de potência a laser. Os poderes mais altos produziram taxas mais altas de armadilhas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Licor Preto (pó) | Licor Preto (pasta) | Tungstênio (12 mícrons) | Tungstênio (1-5 mícrons) | Pó de alumínio | Toner de impressora | Grafite | Nanopartículas de diamante (95%) | Nanopartículas de 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% | ||
Tabela 1: Resultados do teste do tipo de partículas que teriam a melhor taxa de trapping. O tamanho total da amostra de 100 tentativas foi realizado em 4 conjuntos de 25 para cada material.
| Pasta de Licor Preto | Nanopartículas de diamante 55-75% | Grafite | Tungstênio (12 mícrons) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tabela 2: Resultados do teste do tipo de partículas realizado com um sistema de detecção de câmera. Dados coletados no banco de dados SQLite. Os dados foram compilados inicialmente em 4 conjuntos de 1000 para um tamanho amostral de 4000 por material. Os registros individuais de cada conjunto não foram compilados do SQLite; apenas os percentuais totais foram compilados.
Arquivo suplementar 1: File_1-Lens Holder.stl. Este contém o arquivo de impressão 3D para o suporte da lente (ver Figura 2). Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 2: File_2-Platform.stl. Este contém o arquivo de impressão 3D para a plataforma cantilever (ver Figura 2). Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 3: File_3-Platform Holder.stl. Este contém o arquivo de impressão 3D para o titular da plataforma (ver Figura 2). Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo suplementar 4: File_4-Rig Pieces.odg. Este contém o arquivo de corte a laser para as peças da plataforma (ver Figura 1 e Figura 3). Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo suplementar 5: File_5-Light Shield.odg. Este contém o arquivo de corte a laser para o escudo/bloqueador de luz opcional. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 6: File_6-Opt1.system.py. Este contém o código completo para o uso da instrução da etapa 4.1. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Este contém o arquivo readme com alguns detalhes para arquivos suplementares 8-11. Por favor, clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 8: File_8-Opt2.main.py. Este contém o script principal para as instruções encontradas na etapa 4.2. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Este contém o script para a etapa 4.2 que controla o eletroímã. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Isso contém o script para a etapa 4.2 que carrega automaticamente dados no banco de dados. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Isso contém o script que precisa ser carregado para a câmera durante a etapa 4.2.2. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Discussion
O presente protocolo contém várias etapas essenciais que são fundamentais para o funcionamento automático da plataforma de trapping. Primeiro, o eletroímã deve ser apropriadamente ligado à placa de microcontrolador através do circuito especificado. Sem o eletroímã, a utilidade total da plataforma de teste em miniatura é perdida. O eletroímã controla cada tentativa de captura, elevando o reservatório de partículas na plataforma cantilever até o caminho do laser. Cada tentativa de armadilha é outro ciclo de elevação e redução da plataforma.
A câmera só é usada na etapa 4.2, conforme descrito no protocolo, mas é fundamental para essa opção. O passo 4.2 requer uma câmera para detectar se uma partícula foi presa, permitindo a coleta de dados de várias plataformas. Se a câmera não estiver conectada corretamente, a plataforma não será capaz de tentar qualquer armadilha.
O terceiro e mais crítico passo, passo 5.2.1, é alinhar e focar o laser. A lente deve ser colocada para que o ponto focal ocorra sobre o eletroímã. A plataforma cantilevered passará pelo ponto focal sobre o eletroímã, permitindo que as partículas aprisionem. Suponha que o ponto focal não esteja centrado acima do meio do eletroímã. Nesse caso, torna-se desafiador garantir que a plataforma cantilever carregando partículas passe pelo ponto focal para criar armadilhas. Isso pode levar à falta de armadilhas. Também é essencial que a plataforma seja elevada sobre o eletroímã para que o caminho do laser não esteja constantemente entrando em contato com a plataforma. Isso pode fazer com que a câmera denuncie falsos positivos. Para ajustar mais facilmente a localização do ponto focal, sugere-se o uso de um trilho óptico na configuração da plataforma; isso permitirá que os usuários deslizem facilmente o suporte da lente para trás ou para frente para posicionar corretamente o ponto focal. A peça laser e o tubo de ensaio/cantilever já estão alinhados se a plataforma tiver sido adequadamente construída; o uso do trilho óptico manterá a lente alinhada com as outras partes.
Duas opções separadas estão detalhadas no Protocolo, etapa 4.1 e etapa 4.2. A primeira opção, passo 4.1, é a maneira simples original de executar a plataforma de toque em miniatura. Esta opção conta com o olho humano para detectar partículas em vez de um sistema de câmera. Essa opção é melhor para coletar conjuntos menores de dados rapidamente ou em situações em que uma demonstração ao vivo é desejada. A primeira opção foi usada durante os dois primeiros experimentos antes da criação da segunda opção. A segunda opção, passo 4.2, usa uma câmera para detecção e captura automática, permitindo que milhares de testes sejam executados e inseridos em um banco de dados sem qualquer supervisão humana. A precisão da câmera depende da condição exata de teste; certos materiais mais reflexivos, quando testados, pareciam ter uma taxa de trapping menos precisa quando comparados com testes semelhantes feitos com detecção humana. No entanto, vários parâmetros no script da câmera podem ser alterados para aumentar a precisão da câmera. A precisão exata da câmera é algo que pode ser melhorado, mas também não é uma preocupação significativa porque as plataformas em miniatura são destinadas a testes iniciais. A segunda opção também pode ser facilmente modificada para executar duas plataformas de teste de uma única placa microcontroladora; detalhes para essa modificação estão incluídos no Arquivo Suplementar 7.
O trabalho atual está desenvolvendo uma forma mais exata e consistente de detecção automática de armadilhas através do aprendizado de máquina. Este novo sistema de detecção de aprendizado de máquina, quando concluído, usará redes neurais convolucionais para detectar melhor partículas presas com uma taxa de precisão muito maior (acima de 95%), reforçando ainda mais o uso e efeito que tais plataformas de teste em miniatura podem ter no futuro da pesquisa de exibição de armadilhas fotoforças.
Em sua forma base atual, a plataforma de captura em miniatura é limitada de algumas maneiras. Essas plataformas em miniatura são incapazes de criar OTDs reais escaneando a partícula após uma armadilha ter ocorrido. O design também limita a possibilidade de os scanners serem adicionados para uso futuro na criação de OTDs. Outra limitação do projeto é a necessidade de componentes adicionais para que um teste específico ocorra. Por exemplo, um atenuador óptico variável foi usado para coletar os conjuntos de dados em diferentes níveis de potência de saída óptica durante o teste de potência a laser. Da mesma forma, se um pesquisador quisesse testar o comprimento de onda laser em um teste futuro, eles exigiriam vários outros lasers de potência óptica comparável com diferentes comprimentos de onda, além do laser usado neste trabalho. A plataforma provavelmente exigiria modificações adicionais para segurar cada laser, este processo limitaria a velocidade com que tal teste poderia ser conduzido, mas ainda seria possível. Este design também é determinado pela necessidade de imprimir em 3D um novo suporte de lente para cada lente. O design e a aplicação também estão limitados às lentes biconvex esféricas, que produzem aberração esférica para formar regiões onde a captura pode ocorrer.
Daqui para frente, as aplicações futuras incluem testes contínuos e otimização dos parâmetros de trapping fotoforética. Como mencionado brevemente acima, a plataforma de trapping em miniatura poderia facilmente ser modificada em um sistema OTD básico barato adicionando scanners para o controle do eixo y e do eixo x. A entrega de partículas controlada por eletroímã usada na plataforma de captura em miniatura também poderia ser implementada em futuros sistemas avançados de OTD.
A plataforma de captura em miniatura é, em última análise, única e distinta neste campo de pesquisa, pois pode ser barata e rapidamente fabricada, permitindo testes rápidos em massa. Estas plataformas são destinadas a ser sistemas enxutos projetados para os testes iniciais e otimização dos parâmetros de trapping fotoforética. Uma plataforma individual pode testar a uma taxa de ~250 tentativas por hora. Muitos outros tipos de sistemas de trapping fotoforéticos ou plataformas foram desenvolvidos para ter melhores sistemas automáticos ou realizar mais, escaneando a partícula para criar uma imagem após uma armadilha bem sucedida1,8. Estes sistemas de captura em miniatura não são destinados a substituir o uso de tais sistemas. Eles são destinados a testar rapidamente parâmetros e condições de armadilha fotoforética para dar aos pesquisadores uma melhor compreensão do que faz uma boa armadilha fotopforética. A plataforma de armadilhas em miniatura democratizará a pesquisa de armadilhas fotoforéticas e permitirá uma nova onda de experimentação edisoniana e progressão neste campo de pesquisa.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação Nacional de Ciência. 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).
