Summary
Detta arbete beskriver och karakteriserar tillverkningen av miniatyr automatiska fotoforetiska svällningsriggar.
Abstract
Detta dokument presenterar en automatiserad, snabb-fab-kompatibel, fotoforetisk trap testrigg för att möjliggöra demokratisering och crowdsourcing av volymetrisk displayforskning. Riggen kan konstrueras inom 2 timmar med hjälp av en laserskärare, 3-dimensionell (3D) skrivare och vanliga handverktyg. I sin nuvarande form kan riggen användas för att testa följande kritiska parametrar: partikeltyp, svällningstyp, numerisk bländare och luftflöde med en hastighet av cirka 250 prover per timme. Med mindre modifiering kan riggen göras för att testa en ännu större uppsättning parametrar, såsom lasereffekt och laservåglängd, beroende på användarens behov. Riggen kan använda maskinseende för automatiserad datainsamling och analys. Testriggens drift och konstruktion beskrivs med kortfattade, enkla steg. Resultat från en testrigg med fyra enheter som täcker effekt- och partikeltypparametrarna rapporteras. Denna plattform kommer att bredda omfattningen och sammansättningen av optiska trap display parametrar och forskare genom tillgänglighet och demokratisering.
Introduction
Den optiska svällningsdisplayen (OTD) möjliggör de visningsgeometrier som ses i science fiction. Den fungerar genom att fånga en partikel genom fotoferes och belysa partikeln1,2,3,4. Att sedan dra den partikeln genom rymden bildar en bild i luften som betraktaren uppfattar som kontinuerlig per persistens av vision5. Med den här skärmlösa 3D-tekniken kan den visa geometrier som långkastprojektioner, höga sandbord och omslutningsskärmar1. Dessa geometrier är unikt övertygande eftersom de inte kräver någon skärm och skapar innehåll som kan ses från praktiskt taget alla vinklar.
Forskare vid Brigham Young University fann initial framgång i sitt första generationens fotoforetiska fångstsystem genom att använda en strål expander och galvanometerskannrar, tillsammans med flera speglar och en eller flera sfäriska linser för att skapa en fotoforetisk fälla genom sfärisk avvikelse1,4. Denna första generationens svällningsrigg innehöll också RGB-lasrar (rödgrön-blå) för att möjliggöra exakt färgad displaybelysning. Med hjälp av detta svällningssystem skapas OTDs genom att flytta en enda partikel genom en invecklad väg. Den här metoden begränsar storleken på bilder till under en kubikcentimeter och begränsar komplexiteten hos realtidsbilder till trådramar och annat gles innehåll6,7. Dessutom begränsas skalningen av denna teknik av inkonsekvensen hos fotoforetisk fångst8. Om ett enda svällnings-/partikelsystem kan optimeras kan skalning av displayen uppnås genom att replikera en optimerad fälla och synkront fånga och skanna flera partiklar9. Eventuella problem med en enda fälla kommer att förvärras i ett multi-trap-system, så noggrann optimering av fälla och partikelparametrar är avgörande.
Optimeringen av ett individuellt svällningssystem kräver omfattande tester för varje parameter i det fotoforetiska svällningssystemet7. Sådana parametrar inkluderar partikeltyp (substans, form, storlek), lasereffekt, laservåglängd och numerisk bländare (brännvidd, diameter, lutning). Testning och experiment genom försök och fel för varje parameter optimerar enskilda fällor och flera synkrona fällor. Ändå kommer de att kräva att stora mängder data samlas in.
Tidigare har forsknings- och testprocessen för att optimera fotoforetisk fångst genom sfärisk avvikelse endast gjorts av en handfull forskare över hela världen1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Fram till nyligen har forskare vid Brigham Young University förlitat sig på ett enda, stort, dyrt fångstsystem för att samla in de data som behövs, vilket gjorde att processen med att testa och samla in data var långsam1,7. Men sedan vi införde optiska svällningsdisplayer som en lösning för 3D-visualisering 20181 har individer i alla åldersgrupper och från flera kontinenter uttryckt en önskan att delta i forskningen. På grund av det genererade intresset för OTDs har forskare velat hitta ett sätt att låta alla berörda parter delta i forskningsprocessen. Tidigare generationer av fotoforetiska fångstriggar, som innehöll balkdelare och galvanometrar, var för dyra och tidskrävande för massproducera och crowdsource1,6, så en annan lösning behövdes.
En ny miniatyr fotoforetisk svällningsrigg har utvecklats, vilket gör det möjligt för alla berörda parter att delta i forskning och snabbt testa och samla in data för alla viktiga parametrar som nämns ovan. De kan tillverkas snabbt av alla som har tillgång till en 3D-skrivare och laserskärare. Den här designen försöker minimera kostnader och komplexitet, minska risken och maximera automatisering, sammanlänkning och flexibilitet (bild 1). Den nya riggen använder den enklaste optiska installationen för fotoforetisk svällning som möjligt: en enda laser och lins10. De små riggarna är enkla att använda när de har konfigurerats och kan testa med en hastighet av cirka 250 försök per timme.
De data som samlas in från dessa riggar från tester av framtida medborgarforskare och forskare kommer avsevärt att bidra till att utveckla fotoforetisk fångst i dess användning för 3D-visualisering genom att möjliggöra optimering av svällningsparametrar och enskilda fällor.
Protocol
1.3D utskrift och laserskärning av nödvändiga material
- 3D-skriv ut materialen nedan
- Skriv ut linshållaren med hjälp av en FDM-skrivare (Fused Deposition Modeling) (se Materialtabell) enligt informationen i kompletterande fil 1. Linshållaren är för en lins med 30 mm (diameter) (figur 2).
OBS: Filen kan enkelt anpassas för att passa andra linser. - Skriv sedan ut kantileverplattformen och innehavaren (figur 2) (kompletterande fil 2 och kompletterande fil 3).
OBS: Detta kan ta ~ 2-14 h, beroende på detaljerna i utskrifterna. Utskrifternas detaljer bör inte påverka fångsthastigheten om tillräckligt många av fångstämnet har placerats (steg 5.3.4).
- Skriv ut linshållaren med hjälp av en FDM-skrivare (Fused Deposition Modeling) (se Materialtabell) enligt informationen i kompletterande fil 1. Linshållaren är för en lins med 30 mm (diameter) (figur 2).
- Använd en 3D-laserskärare (se Materialtabell) och skär ut riggbitarna (figur 3) (kompletterande fil 4-5).
OBS: Detta snitt kan göras på alla material med kvartstumtjocklek, men trä är det rekommenderade materialet. Kompletterande fil 4 innehåller de riggbitar som behövs på en träbit på 12 x 12. Kompletterande fil 5 innehåller en ljussköld/blockerare som tillval. - Använd en glasskärare (se Materialbord) och skär ett vanligt provrör (~2,5 cm i diameter) ungefär i hälften så att halvan med två öppna ändar är ~6,5 cm lång.
2. Montering av träriggar
OBS: Vid montering av träriggen kan instruktioner i steg 2.1 -2.5 säga "glid", men bitar kan kräva mer kraft för att placeras och byggas på lämpligt sätt.
- Placera ned basstycket med Y-emblemet uppåtvänt (figur 1A).
- Håll de två långa sidostyckena på vardera sidan av basen medan den första laserhållaren skjuts in på ena änden och den första provrörshållaren på den andra sidan (figur 1B,C).
- Av åt sidan, skjut båda elektromagnethållarna på kamerahållaren. Se till att magnethållarna är åtskilda med ~1 cm på varje sida (figur 1D).
- Placera magnethållarna och kamerahållaren som en enhet bredvid den första provrörshållaren, fördelade. 1 cm mellan provrörshållaren och den första elektromagnethållaren (kamerahållarens kant förbi elektromagnethållaren kan därför fungera som referens för 1 cm) (figur 1E).
OBS: Både kamerahållaren och ljusskölden behövs inte för primär användning av miniatyrfångstsystemet, men båda rekommenderas för ojämnheten i rigginställningen.
- Placera magnethållarna och kamerahållaren som en enhet bredvid den första provrörshållaren, fördelade. 1 cm mellan provrörshållaren och den första elektromagnethållaren (kamerahållarens kant förbi elektromagnethållaren kan därför fungera som referens för 1 cm) (figur 1E).
- Placera sedan den andra provrörshållaren efter båda elektromagnethållarna så att det finns ~ 1 cm utrymme mellan den andra provrörshållaren och den andra elektromagnethållaren.
OBS: Totalt, mellan de två provrörshållarna, finns det ~ 4 cm utrymme (kamerafästet har en bredd på 4 cm, för en positioneringsreferens) (bild 1F).- Om du använder ljusskölden/blockeraren (kompletterande fil 5) skjut den till den motsatta änden av provrörshållarna och elektromagnethållarna från kamerahållaren. Detta hjälper till att centrera och justera provröret och elektromagnethållarna.
- Skjut den andra laserhållaren på plats; inget exakt avstånd krävs. Det rekommenderade avståndet är 3-4 cm, men detta kan behöva variera beroende på laserns längd.
- Om så önskas kan en optisk skena (se Materialtabell) skjutas under alla hållare för att justera andra delar av svällningssystemet. Detta kommer att vara särskilt användbart för att justera objektivet med lasern och provröret (figur 1G).
- Placera elektromagneten (se Materialtabellen) i elektromagnethållarna (figur 1H).
3. Anslutning av kretsen till det angivna mikrokontrollerkortet
- Anslut en datorskärm, tangentbord och mus till mikrokontrollerkortet (se Tabell över material). Starta mikrokontrollerkortet och se till att operativsystemet fungerar. Inga ändringar i de ursprungliga mikrokontrollerkonfigurationerna krävs, även om både VNC (virtuell nätverksanslutning) och SSH (säkert skal) kan väljas om så önskas. Detta skulle ge fjärråtkomst till mikrokontrollern.
- Bygg elektromagnetstyrningskretsen med hjälp av en spänningsregulator (se Materialtabell), en brödskiva och några ledningar (figur 4A).
OBS: Alla stiftnummer för mikrokontrollerkortet är GPIO-stiften (allmän ingång och utgång).- Placera spänningsregulatorn i brödbrädan så att varje stift är i en annan rad för att möjliggöra korrekt användning.
- Koppla spänningsregulatorns ingångsstift till en av 5V-strömstiften på mikrokontrollerkortet.
- Koppla spänningsregulatorns justeringsstift till GPIO 23 på mikrokontrollerkortet.
- Anslut elektromagnetens ingångskabel till spänningsregulatorns utgångsstift. Anslut sedan elektromagnetens utgångskabel till en jordstift på mikrokontrollern; Detta uppnås bäst när du använder en annan rad i brödbrädan för att ansluta de två med en extra tråd.
4. Ladda upp koden för drift av systemet
OBS: För att ladda upp koden måste antingen steg 4.1 eller steg 4.2 följas. Steg 4.1 innehåller instruktioner för den enkla versionen av koden som inte använder en kamera. Steg 4.2 innehåller instruktioner för den version som använder en kamera.
- Utför stegen i enlighet med anvisningarna i kompletterande fil 6.
- Öppna terminalen och navigera till platsen för att lagra de filer som behövs. Skapa en ny katalog på mikrokontrollerkortet genom att skriva terminalkommandot "mkdir" följt av önskat katalognamn. Den här katalogen kommer att användas för att lagra filerna för att köra svällningsriggen.
- Infoga kompletterande fil 6 i den nya katalogen. Mer information finns i avsnittet Läsbild i början av filen. När testnumret har ändrats till önskat belopp är programmet klart att köras.
Den här filen innehåller en nödvändig variabel som kallas num_tries som styr hur många tester som ska göras i en körning. Den här filen innehåller alltid några pauser, som kan förkortas för snabbare tester.
- Kör och visa SQLite på mikrokontrollerkortet enligt stegen nedan. Detta kräver kompletterande fil 7-11 och en kamera och relevant expertis.
- Installera de databasbibliotek som behövs på mikrokontrollerkortet genom att skriva in terminalen "Sudo apt-get install SQLite browser" och "Sudo apt-get install sqlite3". Detta gör det möjligt för mikrokontrollerkortet att automatiskt lagra alla data från testerna med kompletterande fil 9.
- Spara kompletterande fil 11, kameraskriptet som main.py på kameran. Detta kan göras via en filutforskare eller den integrerade utvecklingsmiljön (IDE) som utvecklats för kameran (se Tabell över material).
OBS: IDE rekommenderas eftersom det gör det möjligt för användare att se kamerans utgång, vilket hjälper till när du ser till att kameran fokuserar korrekt. - Anslut kameran till mikrokontrollerkortet. Använd 4 stift, inklusive markpinnen från kameran. Anslut jordstiftet till mikrokontrollerkortets jord. Följande stift ska matcha som nämnts nedan:
- Anslut kamerastift 8 till GPIO 19: Den här stiftet skickar resultaten från varje fälla tillbaka till pi.
- Anslut kamerastift 9 till GPIO 17: Den här stiftet ger kameran behörighet att börja söka.
- Anslut kamerastift 7 till GPIO 5: Det här är kamerans statusstift.
- Skapa en katalog för att lagra alla filer. När du har skapat den här katalogen sparar du filerna enligt kompletterande fil 7-10 i katalogen. byt namn på dem readme.txt, main.py, electromagnet.py respektive test_insert.py.
- Läs igenom kompletterande fil 7 (Viktigt.txt).
Viktigt: Readme-filen ger en bra förklaring av vad varje fil gör och de ändringar som kan behövas i varje fil, till exempel databasens katalogsökväg. - Öppna databasvisaren som är installerad i steg 4.2.1. Klicka på den nya databasknappen och spara databasen i samma katalog som de andra filerna. Den nya databasen måste matcha namnet på databasfilen som finns i test_insert.py.
- Skapa en tabell i den nya databasen i databasen för att spara data. Databasen har 5 fält, parameter_type, fångade, testnamn, testnum och rigID.
Tabellavsnitten måste vara exakta enligt angivna eller fler ändringar måste göras i Main.py och test_insert.py.
5. Testberedningar
- Förbered objektivet genom att placera objektivet inuti linshållaren. Se till att objektivet stannar inuti hållaren under provningen. Lite varmt lim kan behövas här.
OBS: Riggen kräver att man använder en sfärisk bikonvex för att säkerställa korrekt bildning av svällningsregioner. - När objektivet har förberetts (steg 5.1) placerar du linshållaren på den optiska skenan och lasern (se Materialtabellen) i laserhållaren.
OBS: Den föreslagna lasern i listan över material kräver ingen kalibrering före användning. Skyddsglasögon måste bäras när lasern används.- Använd objektivet och lasern eller annan ljuskälla och hitta laserns brännpunkt och skjut linshållaren längs den optiska skenan tills brännpunkten är centrerad över elektromagneten.
OBS: Det här steget är viktigt för svällning. Om brännpunkten inte är centrerad över elektromagneten kommer cantileverplattformen inte att höja partiklarna till brännpunkten. - Markera denna punkt med en penna på träbasen för framtida referens.
OBS: Varje lins levereras redan med en brännviddsmätning, men dessa mätningar är inte alltid korrekta.
- Använd objektivet och lasern eller annan ljuskälla och hitta laserns brännpunkt och skjut linshållaren längs den optiska skenan tills brännpunkten är centrerad över elektromagneten.
- Förbered svällningscitatten
- Se till att lasern är ordentligt avstängd igen.
- Använd en varm limpistol och limma fast en liten knappmagnet (se Materialtabell) med samma polaritet som elektromagneten på plattformens plana yta så att elektromagneten stöter bort plattformen.
OBS: Magneternas polaritet måste matchas på lämpligt sätt så att plattformen slås tillbaka av elektromagneten och trycker in partiklarna i laserns stråle så att fångst kan ske. - Ta den 3D-printade, cantilever-liknande plattformen och täck plattformen i svart aluminiumfolie, vilket skyddar plattformen från att smälta.
OBS: Vanlig folie kan användas, men det orsakar för mycket bländning för kamerasystemet att användas. Prova att använda den svarta folietejpen (se Materialtabell), som fungerar bra med kameran (bild 5A). Folie rekommenderas eftersom det lätt kan bytas ut för testning av andra ämnen, men liknande produkter kan användas om så önskas. - Efter att ha täckt plattformen med aluminiumfolien, placera den valda partikeltypen som användaren valt för testning på plattformens lutande sida (se Tabell över material för partikeltypsalternativ eller se figur 6A).
- För försiktigt in grenarmarna i den cirkulära hållaren så att magnetsidan är vänd ut. Sätt sedan försiktigt in provröret i samma hållare. Om detta har gjorts korrekt kommer magneten nästan att vidröra glaset (bild 5B).
- Placera provröret på provrörshållarna så att plattformen är centrerad över elektromagneten. Om magneten har fästs på lämpligt sätt på cantileverplattformen ska cantileveren verka vara i ett uppåtriktat läge som avvisas av elektromagneten.
- Placera kameran i kamerahållaren för att fånga eventuella fällor som uppstår ovanför/runt plattformen. Dubbelkolla sedan alla andra positioner (figur 1I-J).
6. Påbörja testet
OBS: För testning måste antingen steg 6.1 eller steg 6.2 följas.
- Om du använder instruktioner från steg 4.1 trycker du på start i filen eller startar filen normalt från terminalen.
- Om du använder instruktioner från steg 4.2, starta detta test från terminalen med parametrarna som nämns nedan.
- Använd terminalkommandon och kör filsystemet en gång i rätt katalog med kommandot "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Filen main.py finns i kompletterande fil 8.
- Ersätt test_num med önskat antal tester. Ersätt Parameter_type med den typ av parameter som testet är inriktat på.
OBS: Om tester till exempel gjordes för att avgöra vilken strömsnämer som är bäst, skulle Parameter_type ersättas av laser_power, och exact_parameter skulle ersättas av den optiska uteffekten hos den aktuella lasern.
Representative Results
Det viktigaste resultatet som uppnås genom att följa ovanstående protokoll är att skapa en miniatyr fotoforetisk svällningsrigg, som snabbt kan testa olika parametrar. Hittills har dessa riggar använts för att testa två kritiska parametrar, lasereffekt och partikeltyp. Parallellkörningen av flera miniatyrriggar har gjort det möjligt för forskare att samla in data med mycket större provstorlekar på mycket snabbare tid.
Det första testet, som utfördes under utvecklingen av ovanstående protokoll, var ett lasereffekttest. En enda miniatyrrigg användes under detta test, utan kameradetekteringssystemet, eftersom det ännu inte hade utvecklats. I stället användes steg 4.1 från protokollet. Detta krävde att en forskare var närvarande för datainsamlingen av alla trap-identifieringar. Målet med detta test var att bestämma den idealiska lasereffekten för fångst. Genom att placera ett optiskt dämpare (variabelt neutralt densitetsfilter) mellan lasern och linsen på riggen var laserns optiska effekt varierad. Figur 7 visar resultaten av detta experiment. En hög optisk uteffekt motsvarade en högre fångsthastighet. Lasern med full effekt hade den högsta registrerade fångsthastigheten för detta test. Detta test var dock begränsat till en laser med en maximal optisk effekt på ~ 120 mW.
Det andra testet var att fastställa vilket material eller ämne som skulle ha den högsta fångsthastigheten. Detta test utfördes med hjälp av en enda miniatyrtestrigg utan kameradetekteringssystemet. Tio olika partiklar testades med en provstorlek på 100 försök för varje partikel (alla ämnen som testats finns i materialförteckningen med deras beskrivningar). Provstorleken begränsades till 100 på grund av behovet av att låta en forskare titta på varje försök för datainsamling. Alla nödvändiga uppgifter samlades in på två arbetsdagar. Figur 6A visar resultaten av partikeltypstestet. Av de 10 material/partiklar som testades konstaterades det att diamantnanopartiklar (55-75%) och skrivartoner var de två bästa partikeltyperna med hastigheter på 14% respektive 10% (tabell 1).
Efter de två första testerna kände sig forskarna begränsade till en enda rigg som krävde aktiv tittande under testningen; Detta ledde till steg 4.2 som beskrivs i protokollet. Det här alternativet innehåller ett kameradetekteringssystem som gör det möjligt för användare att köra flera miniatyrtestriggar åt gången och inte kräver att en användare är närvarande för testning.
För att testa detta nya kamerasystem genomfördes ett modifierat omtest av partikeltypstestet. Endast ett fåtal olika partikeltyper valdes ut bland de 10 som ursprungligen användes för att testas på nytt för detta nya partikeltypstest. De utvalda partiklarna genomgick en ny testomgång. Med hjälp av en testrigg "farm" med fyra miniatyrtestriggar hade var och en av de valda partiklarna en total provstorlek på 4 000 försök. Än en gång samlades alla nödvändiga uppgifter in under två hela arbetsdagar (tabell 2). Det primära syftet med denna partikeltyps omtestning var att testa det nya kamerasystemet. Detta test gjorde det möjligt att jämföra resultat från det första partikeltypstestet, med en forskare som rapporterade fällorna, med resultaten från kameradetekteringssystemet. Testresultaten var något annorlunda än de ursprungliga testerna men ändå jämförbara (figur 6B). Den bästa partikeltypen från det första testet, diamantnanopartiklar 55-75%, var fortfarande den bästa i omtestet men hade en något lägre fångsthastighet än tidigare. Skillnaden i resultat beror troligtvis på en större provstorlek och ett ofullkomligt kameradetekteringssystem. Även om resultaten för detta partikeltest var något annorlunda än förväntat, kommer de resultat som samlas in av kameraskriptet att vara tillförlitliga när man testar andra parametrar där materialet förblir konstant, till exempel lasereffekt eller linsens brännvidd.
Resultaten från alla tre utförda tester är i förhållande till de riggar de utfördes på, men trenderna som finns i data kommer att visa sig vara sanna när de testas på andra mer exakta fotoforetiska testriggar. Miniatyrtestriggarna är inte avsedda att ersätta andra testriggar helt och hållet. Ändå är de avsedda att göra det möjligt för forskare att utforska alla parametrar och möjligheter snabbt och effektivt i edisonian (trial and error) testning för att hitta trender och upptäckter för ytterligare forskning om mer exakta riggar.
Bild 1: Riggprogression med den färdiga miniatyrfotoforetiska testriggen. Siffran motsvarar steg 2 och dess understeg. (A) Visar steg 2.1. (B) Visar steg 2.2, basen med de två långsidorna. (C) Visar steg 2.2, riggens ram, en bas med båda sidor och den första laserhållaren och provrörshållaren. (D) Steg 2.3 visar kamerahållaren i kombination med båda elektromagnethållarna. (E) Steg 2.3.1 erbjuder en kombination av figurerna 1C, D. (F) Steg 2.4, den andra provrörshållaren och den andra laserhållaren har lagts till. G) Den valfria ljusskölden och den optiska skenan har lagts till. (H) Elektromagneten placeras i hållaren. (I) Lasern och provröret har placerats i innehavarna. (J) Detta visar hela den färdiga testtigen utan strömkällan för mikrokontrollerkortet. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 2: 3D-utskrivna bitar. I denna figur ingår linshållaren, den cirkulära plattformshållaren och cantileverplattformen. Designen för den 3D-utskrivna linshållaren finns i Kompletterande fil 1. Denna linshållare är, när den trycks, för en lins med en diameter på 30 mm. Kompletterande fil 2-3 innehåller designerna för plattformshållaren och plattformen. Plattformshållaren har fyra uppsättningar som plattformen kan använda, men för att riggen ska fungera som den är utformad bör plattformen använda de hål som anges i figuren. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 3: Märkta laserskurna bitar. Denna figur märker bitarna i kompletterande fil 4, som innehåller filen för alla laserskurna bitar förutom den valfria ljusskölden. Efter utskrift bör det finnas 1 bas, 2 sidor, 2 laserhållare, 2 provrörshållare, 2 elektromagnethållare och 2 kamerahållare (endast en är nödvändig). Ljusskölden som tillval finns i kompletterande fil 5. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 4: Spänningsregulator och elektromagnetkrets. (A) Som referens, när kretsen byggs. Spänningsregulatorn har 3 stift, en justering, ingång och utgång. B) Denna siffra visar den slutförda krets som beskrivs i steg 3. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 5: Plattformspreparat och provrörsfälla(A) Innan testning kan göras måste plattformen förberedas. Reservoaren av partiklar där lasern kommer att lysa för att plocka upp partiklar kommer att placeras på plattformen omedelbart före testning. Svart aluminiumfolie bör placeras på plattformen före partiklarna. Detta förhindrar att lasern smälter genom plattformen. (B) Under provningen sker den faktiska fångsten av partiklar i provröret, vilket säkerställer konsekvent automatisk rörelse av plattformen för varje trap-försök. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 6: Partikeltypstest (manuell) och (kamera). (A) Ett test av 10 olika partiklar utfördes för att hitta partikeln med den bästa fångsthastigheten. B) Ett andra partikeltypstest utfördes med ett kameradetekteringssystem. Endast 4 av de ursprungliga 10 partiklarna testades. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 7: Testresultat för lasereffekt. Fångsthastigheten för olika lasereffektnivåer mättes under lasereffekttestet. De högre makterna producerade högre fångsthastigheter. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
| Svartlut (pulver) | Svart sprit (pasta) | Volfram (12 mikron) | Volfram (1-5 mikron) | Aluminium pulver | Toner för skrivare | Grafit | Diamantnanopartiklar (95%) | Diamantnanopartiklar (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% | ||
Tabell 1: Resultat av partikeltypstestet som skulle ha den bästa fångsthastigheten. Den totala provstorleken på 100 försök utfördes i 4 uppsättningar med 25 för varje material.
| Svart spritpasta | Diamantnanopartiklar 55-75% | Grafit | Volfram (12 mikron) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tabell 2: Resultat av partikeltypstestet som utförts med ett kameradetekteringssystem. Data som samlas in från SQLite-databasen. Data sammanställdes ursprungligen i 4 uppsättningar av 1000 för en provstorlek på 4000 per material. Enskilda poster för varje uppsättning kompilerades inte från SQLite; endast de totala procentsatserna sammanställdes.
Kompletterande fil 1: File_1-Lens Holder.stl. Den innehåller 3D-utskriftsfilen för linshållaren (se figur 2). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 2: File_2-Platform.stl. Den innehåller 3D-utskriftsfilen för cantileverplattformen (se bild 2). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 3: File_3-plattform Holder.stl. Den innehåller 3D-utskriftsfilen för plattformshållaren (se figur 2). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 4: File_4-Rig Pieces.odg. Den innehåller laserskärningsfilen för riggbitarna (se figur 1 och figur 3). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 5: File_5-Light Shield.odg. Den innehåller laserskärningsfilen för den valfria ljusskölden/blockeraren. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 6: File_6-Opt1.system.py. Detta innehåller hela koden för användning av instruktionen från steg 4.1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 7: File_7-Opt2.Läs mig.txt. Detta innehåller viktigt filen med några detaljer för Kompletterande filer 8-11. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 8: File_8-Opt2.main.py. Detta innehåller huvudskriptet för instruktionerna som finns i steg 4.2. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande akt 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Detta innehåller skriptet för steg 4.2 som styr elektromagneten. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Detta innehåller skriptet för steg 4.2 som automatiskt laddar upp data till databasen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande akt 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Detta innehåller skriptet som måste laddas upp till kameran under steg 4.2.2. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Det nuvarande protokollet innehåller flera viktiga steg som är avgörande för den automatiska körningen av svällningsriggen. För det första måste elektromagneten fästas på lämpligt sätt på mikrokontrollerkortet genom den angivna kretsen. Utan elektromagneten går miniatyrtestriggens totala användbarhet förlorad. Elektromagneten styr varje fångstförsök genom att höja partikelbehållaren på cantileverplattformen upp i laserns väg. Varje trap-försök är en annan cykel för att höja och sänka plattformen.
Kameran används endast i steg 4.2 enligt beskrivningen i protokollet, men det är viktigt för det alternativet. Steg 4.2 kräver att en kamera upptäcker om en partikel har fastnat, vilket möjliggör datainsamling från flera riggar. Om kameran inte är korrekt ansluten kan riggen inte försöka fånga.
Det tredje och mest kritiska steget, steg 5.2.1, är att justera och fokusera lasern. Linsen måste placeras så att brännpunkten uppstår över elektromagneten. Den kantilevererade plattformen kommer att passera genom brännpunkten över elektromagneten, vilket gör att partiklar kan fångas. Anta att brännpunkten inte är centrerad ovanför elektromagnetens mitt. I så fall blir det utmanande att se till att cantileverplattformen som bär partiklar kommer att passera genom brännpunkten för att skapa fällor. Detta kan leda till brist på fällor. Det är också viktigt att plattformen är upphöjd över elektromagneten så att laserbanan inte ständigt kontaktar plattformen. Detta kan leda till att kameran rapporterar falska positiva identifieringar. För att lättare justera brännpunktens placering föreslås att man använder en optisk skena i installationen av riggen. Detta gör det möjligt för användare att enkelt skjuta linshållaren bakåt eller framåt för att placera brännpunkten ordentligt. Laser- och provrörs-/cantileverdelen är redan i linje om riggen har byggts på lämpligt sätt. Användningen av den optiska skenan håller objektivet i linje med de andra delarna.
Två separata alternativ beskrivs i protokollet, steg 4.1 och steg 4.2. Det första alternativet, steg 4.1, är det ursprungliga enkla sättet att köra miniatyrgängigriggen. Det här alternativet förlitar sig på det mänskliga ögat för att upptäcka partiklar istället för ett kamerasystem. Det här alternativet är bäst för att samla in mindre uppsättningar data snabbt eller i situationer där en live-demonstration önskas. Det första alternativet användes under de två första experimenten innan det andra alternativet skapades. Det andra alternativet, steg 4.2, använder en kamera för automatisk detektering och svällning, vilket gör att tusentals tester kan köras och matas in i en databas utan mänsklig övervakning. Kamerans noggrannhet beror på det exakta testförhållandet; Vissa mer reflekterande material, när de testades, tycktes ha en mindre exakt fångsthastighet jämfört med liknande tester som gjorts med mänsklig upptäckt. Flera parametrar i kameraskriptet kan dock ändras för att öka kamerans noggrannhet. Kamerans exakta noggrannhet är något som kan förbättras, men det är inte heller ett betydande problem eftersom miniatyrriggarna är avsedda för inledande testning. Det andra alternativet kan också enkelt ändras för att köra två testriggar från ett enda mikrokontrollerkort; Närmare uppgifter om ändringen finns i kompletterande akt 7.
Det nuvarande arbetet utvecklar en mer exakt och konsekvent form av automatisk trapdetektering genom maskininlärning. Detta nya maskininlärningsdetekteringssystem, när det är klart, kommer att använda convolutional neurala nätverk för att bättre upptäcka fångade partiklar med en mycket högre noggrannhet (över 95%), vilket ytterligare stärker användningen och effekten som miniatyrtestriggar kan ha på framtiden för fotoforetisk trap displayforskning.
I sin nuvarande basform är miniatyrfångstriggen begränsad på några sätt. Dessa miniatyrriggar kan inte skapa faktiska OTD:n genom att skanna partikeln efter att en fälla har inträffat. Designen begränsar också möjligheten att skannrar läggs till för framtida användning för att skapa OTDs. En annan begränsning av designen är behovet av ytterligare komponenter för att ett specifikt test ska inträffa. Till exempel användes ett variabelt optiskt dämpare för att samla in datamängderna vid olika optiska uteffektnivåer under lasereffekttestet. På samma sätt, om en forskare ville testa laservåglängd i ett framtida test, skulle de kräva flera andra lasrar med jämförbar optisk kraft med olika våglängder utöver den laser som används i detta arbete. Riggen skulle sannolikt kräva ytterligare modifieringar för att hålla varje laser, denna process skulle begränsa hastigheten med vilken ett sådant test kunde utföras, men det skulle fortfarande vara möjligt. Denna design bestäms också av behovet av att 3D-skriva ut en ny linshållare för varje lins. Designen och applikationen är också begränsad till sfäriska bikonvexlinser, som producerar sfärisk avvikelse till att bilda regioner där fångst kan uppstå.
Framöver inkluderar framtida applikationer fortsatt testning och optimering av fotoforetiska svällningsparametrar. Som kort nämnts ovan kan miniatyrfångstriggen enkelt modifieras till ett grundläggande billigt OTD-system genom att lägga till skannrar för y-axeln och x-axelkontrollen. Den elektromagnetstyrda partikeltillförseln som används i miniatyrfångstriggen skulle också kunna implementeras i framtida avancerade OTD-system.
Miniatyrfångstriggen är i slutändan unik och distinkt inom detta forskningsområde eftersom den kan tillverkas billigt och snabbt, vilket möjliggör snabb masstestning. Dessa riggar är avsedda att vara magra system utformade för inledande testning och optimering av fotoforetiska svällningsparametrar. En enskild rigg kan testa med en hastighet av ~250 försök per timme. Många andra typer av fotoforetiska fångstsystem eller riggar har utvecklats för att ha bättre automatiska system eller åstadkomma mer genom att skanna partikeln för att skapa en bild efter en lyckad fälla1,8. Dessa miniatyrfångstsystem är inte avsedda att ersätta användningen av sådana system. De är avsedda att snabbt testa parametrar och förhållanden för fotoforetisk fångst för att ge forskare en bättre förståelse för vad som ger bra fotoforetisk fångst. Miniatyrfångstriggen kommer att demokratisera fotoforetisk trapforskning och möjliggöra en ny våg av edisonska experiment och framsteg inom detta forskningsområde.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt ekonomiskt stöd från National Science Foundation. NSF utmärkelse 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).
