Summary
Bu çalışma, minyatür otomatik fotoforetik tuzak kulelerinin imalatını tanımlamakta ve karakterize etmektedir.
Abstract
Bu makale, hacimsel ekran araştırmalarının demokratikleşmesini ve kitle kaynak kullanımını sağlamak için otomatik, hızlı-fab-uyumlu, fotoforetik tuzak test donanımı sunmaktadır. Makine lazer kesici, 3 boyutlu (3D) yazıcı ve yaygın el aletleri kullanılarak 2 saat içinde inşa edilebilir. Makine mevcut haliyle şu kritik parametreleri test etmek için kullanılabilir: partikül tipi, tuzak tipi, sayısal açıklık ve saatte yaklaşık 250 numune hızında hava akışı. Küçük değişikliklerle makine, kullanıcının ihtiyaçlarına bağlı olarak lazer gücü ve lazer dalga boyu gibi daha da büyük bir parametre kümesini test etmek için yapılabilir. Makine otomatik veri yakalama ve analiz için makine görüşünü kullanabilir. Test donanımının çalışması ve yapımı kısa ve takip edilmesi kolay adımlarla açıklanmaktadır. Güç ve parçacık tipi parametrelerini kapsayan dört birimli bir test donanımı 'çiftliğinden' elde edilen sonuçlar raporlanır. Bu platform, erişilebilirlik ve demokratikleşme yoluyla optik tuzak ekran parametrelerinin ve araştırmacıların kapsamını ve bileşimini genişletecektir.
Introduction
Optik tuzak ekranı (OTD), bilim kurguda görülen ekran geometrilerini mümkün kılar. Bir parçacığı fotoferez yoluyla yakalayarak ve parçacığı aydınlatarak çalışır1,2,3,4. Daha sonra, bu parçacığı uzayda sürüklemek, izleyicinin vizyonun kalıcılığına göre sürekli olarak algıladığı havada bir görüntü oluşturur5. Bu ekransız 3D teknolojisi, uzun yansıtma açılı projeksiyonlar, uzun kum masaları ve etrafı saran ekranlar gibi geometrileri görüntülemesini sağlar1. Bu geometriler benzersiz bir şekilde çekicidir, çünkü ekran gerektirmezler ve neredeyse her açıdan görülebilecek içerik oluştururlar.
Brigham Young Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, küresel sapma yoluyla fotoforetik bir tuzak oluşturmak için birkaç ayna ve bir veya daha fazla küresel lensle birlikte bir ışın genişletici ve galvanometre tarayıcıları kullanarak birinci nesil fotoforetik yakalama sistemlerinde ilk başarıyı buldular1,4. Bu birinci nesil yakalama makinesi, hassas renkli ekran aydınlatması sağlamak için RGB (kırmızı-yeşil-mavi) lazerler de içeriyordu. Bu yakalama sistemini kullanarak, OTD'ler tek bir parçacığın kıvrımlı bir yoldan hareket ettirilmesiyle oluşturulur. Bu yaklaşım, görüntülerin boyutunu bir santimetreküpün altına sınırlar ve gerçek zamanlı görüntülerin karmaşıklığını tel kafesler ve diğer seyrek içeriklerle sınırlar6,7. Ayrıca, bu teknolojinin ölçeklendirilmesi, fotoforetik yakalamanın tutarsızlığı ile sınırlıdır8. Tek bir tuzak/parçacık sistemi optimize edilebilirse, optimize edilmiş bir tuzağın çoğaltılması ve birden fazla parçacığın eşzamanlı olarak yakalanması ve taranmasıyla ekranın ölçeklendirilmesi sağlanabilir9. Tek bir tuzakla ilgili herhangi bir sorun, çok tuzaklı bir sistemde birleştirilecektir, bu nedenle tuzak ve parçacık parametrelerinin dikkatli bir şekilde optimize edilmesi kritik öneme sahiptir.
Bireysel bir tuzak/yakalama sisteminin optimizasyonu, fotoforetik yakalama sisteminin her parametresi için kapsamlı testlerin yapılmasını gerektirir7. Bu parametreler arasında parçacık tipi (madde, şekil, boyut), lazer gücü, lazer dalga boyu ve sayısal diyafram açıklığı (odak uzaklığı, çap, eğim) bulunur. Her parametre için deneme yanılma yoluyla test ve deneme, bireysel tuzakları ve çoklu senkron tuzakları optimize edecektir. Yine de, büyük miktarda verinin toplanmasını gerektireceklerdir.
Geçmişte, küresel sapma yoluyla fotoforetik tuzağı optimize etmek için araştırma ve test süreci sadece dünya çapında bir avuç araştırmacı tarafından yapılmıştır1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Yakın zamana kadar, Brigham Young Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, ihtiyaç duyulan verileri toplamak için tek, büyük, pahalı bir tuzak sistemine güveniyorlardı ve bu da test etme ve toplama sürecinin yavaş olmasına neden oluyordu1,7. Bununla birlikte, 20181'de optik tuzak ekranlarını 3D görselleştirme için bir çözüm olarak sunduğundan beri, her yaş grubundan ve çeşitli kıtalardan bireyler araştırmaya katılma arzusunu dile getirdi. OTD'lere olan ilgi nedeniyle, araştırmacılar tüm ilgili tarafların araştırma sürecine katılmasına izin vermenin bir yolunu bulmak istediler. Kiriş ayırıcılar ve galvanometreler içeren önceki nesil fotoforetik yakalama makineleri, seri üretim ve kitle kaynağı için çok pahalı ve zaman alıcıydı1,6, bu nedenle farklı bir çözüme ihtiyaç vardı.
İlgili tüm tarafların araştırmaya katılmasına ve yukarıda belirtilen tüm önemli parametreler için hızlı bir şekilde test etmesine ve veri toplamasına olanak tanıyan yeni bir minyatür fotoforetik yakalama teçhizatı geliştirilmiştir. Bir 3D yazıcıya ve lazer kesiciye erişimi olan herkes tarafından hızla üretilebilirler. Bu tasarım, maliyeti ve karmaşıklığı en aza indirmeye, riski azaltmaya ve otomasyonu, ara bağlantıyı ve esnekliği en üst düzeye çıkarmaya çalışır (Şekil 1). Yeni sondaj makinesi, fotoforetik yakalama için mümkün olan en basit optik kurulumu kullanır: tek bir lazer ve lens10. Küçük makinelerin kurulumu tamamlandıktan sonra kullanımı kolaydır ve saatte yaklaşık 250 deneme hızında test yapabilir.
Bu teçhizatlardan gelecekteki vatandaş bilim adamlarının ve araştırmacıların testlerinden toplanan veriler, tuzak parametrelerinin ve bireysel tuzakların optimizasyonuna izin vererek 3D görselleştirme kullanımında fotoforetik yakalamanın geliştirilmesine önemli ölçüde yardımcı olacaktır.
Protocol
1.3D gerekli malzemelerin baskı ve lazer kesimi
- Aşağıda listelenen malzemeleri 3D yazdırın
- Lens tutucuyu, Ek Dosya 1'de verilen bilgilere göre bir filament FDM (Kaynaştırılmış Biriktirme Modellemesi) 3B yazıcı (bkz. Malzeme Tablosu) kullanarak yazdırın. Bu lens tutucu 30 mm (çaplı) bir lens içindir (Şekil 2).
NOT: Dosya, diğer lenslere uyacak şekilde kolayca özelleştirilebilir. - Ardından, konsol platformunu ve tutucuyu (Şekil 2) yazdırın (Ek Dosya 2 ve Ek Dosya 3).
NOT: Bu, baskıların ayrıntılarına bağlı olarak ~ 2-14 saat sürebilir. Baskıların detayı, eğer yeterince tuzak maddesi yerleştirilmişse, yakalama oranını etkilememelidir (adım 5.3.4).
- Lens tutucuyu, Ek Dosya 1'de verilen bilgilere göre bir filament FDM (Kaynaştırılmış Biriktirme Modellemesi) 3B yazıcı (bkz. Malzeme Tablosu) kullanarak yazdırın. Bu lens tutucu 30 mm (çaplı) bir lens içindir (Şekil 2).
- Bir 3D lazer kesici kullanarak ( bkz. Malzeme Tablosu), makine parçalarını kesin (Şekil 3) (Ek Dosya 4-5).
NOT: Bu kesim çeyrek inç kalınlığındaki herhangi bir malzeme üzerinde yapılabilir, ancak ahşap önerilen malzemedir. Ek Dosya 4 , 12 x 12 ahşap parçasına sığan gerekli teçhizat parçalarını içerir. Ek Dosya 5, isteğe bağlı bir ışık kalkanı/engelleyici içerir. - Bir cam kesici kullanarak ( Malzeme Tablosuna bakınız), standart bir test tüpünü (~ 2,5 cm çapında) kabaca ikiye bölün, böylece iki açık uçlu yarısı ~ 6,5 cm uzunluğundadır.
2. Ahşap teçhizatların montajı
NOT: Ahşap teçhizatı monte ederken, 2.1-2.5 arasındaki adımlardaki talimatlar "kaydır" diyebilir, ancak parçaların uygun şekilde konumlandırılması ve inşa edilmesi için daha fazla kuvvet gerekebilir.
- Taban parçasını Y amblemi yukarı bakacak şekilde aşağı yerleştirin (Şekil 1A).
- İlk lazer tutucu bir ucuna, ilk test tüpü tutucusu diğer tarafa yerleştirilmek üzere kaydırılırken iki uzun yan parçayı tabanın her iki tarafında tutun (Şekil 1B, C).
- Yan tarafa doğru, her iki elektromıknatıs tutucuyu da kamera tutucunun üzerine kaydırın. Mıknatıs tutucuların her iki tarafta ~ 1 cm ile ayrıldığından emin olun (Şekil 1D).
- Mıknatıs tutucuları ve kamera tutucuyu, aralıklı olarak ilk test tüpü tutucusunun yanında bir ünite olarak kaydırın. Bu nedenle, test tüpü tutucu ile ilk elektromıknatıs tutucu arasında 1 cm (kamera tutucunun elektromıknatıs tutucuyu geçen kenarı 1 cm için referans görevi görebilir) (Şekil 1E).
NOT: Minyatür yakalama sisteminin birincil kullanımı için hem kamera tutucu hem de ışık kalkanı gerekli değildir, ancak makine kurulumunun homojenliği için her ikisi de önerilir.
- Mıknatıs tutucuları ve kamera tutucuyu, aralıklı olarak ilk test tüpü tutucusunun yanında bir ünite olarak kaydırın. Bu nedenle, test tüpü tutucu ile ilk elektromıknatıs tutucu arasında 1 cm (kamera tutucunun elektromıknatıs tutucuyu geçen kenarı 1 cm için referans görevi görebilir) (Şekil 1E).
- Ardından, ikinci test tüpü tutucusunu her iki elektromıknatıs tutucudan sonra yerleştirin, böylece ikinci test tüpü tutucusu ile ikinci elektromıknatıs tutucu arasında ~ 1 cm boşluk kalır.
NOT: Toplamda, iki test tüpü tutucusu arasında, ~4 cm boşluk vardır (kamera montajı, konumlandırma referansı için 4 cm genişliğe sahiptir) (Şekil 1F).- İsteğe bağlı ışık kalkanı/engelleyici (Ek Dosya 5) kullanıyorsanız, ışık kalkanını kamera tutucusundan test tüpü tutucularının ve elektromıknatıs tutucuların karşı ucuna kaydırın; bu, test tüpünü ve elektromıknatıs tutucularını merkezlemeye ve hizalamanıza yardımcı olacaktır.
- İkinci lazer tutucuyu yerine kaydırın; kesin bir mesafe gerekmez. Önerilen mesafe 3-4 cm'dir, ancak bunun lazerin uzunluğuna bağlı olarak değişmesi gerekebilir.
- İstenirse, bir optik ray ( bkz. Malzeme Tablosu), yakalama sisteminin diğer elemanlarını hizalamak için tüm tutucuların altına kaydırılabilir. Bu, lensin lazer ve test tüpü ile hizalanması için özellikle yararlı olacaktır (Şekil 1G).
- Elektromıknatısı (bakınız Malzeme Tablosu) elektromıknatıs tutuculara yerleştirin (Şekil 1H).
3. Devrenin belirtilen mikrodenetleyici kartı ile bağlantısı
- Mikrodenetleyici kartına bir bilgisayar monitörü, klavye ve fare takın (bkz. Mikrodenetleyici kartını başlatın ve işletim sisteminin çalıştığından emin olun. Orijinal mikrodenetleyici yapılandırmalarında herhangi bir değişiklik gerekmez, ancak istenirse hem VNC (sanal ağ bağlantısı) hem de SSH (güvenli kabuk) seçilebilir. Bu, mikrodenetleyiciye uzaktan erişime izin verir.
- Elektromıknatıs kontrol devresini bir voltaj regülatörü (bkz. Malzeme Tablosu), bir breadboard ve birkaç tel (Şekil 4A) kullanarak oluşturun.
NOT: Mikrodenetleyici kartı için tüm pin numaraları GPIO (genel amaçlı giriş ve çıkış) pinleridir.- Voltaj regülatörünü breadboard'a yerleştirin, böylece her pim farklı bir sırada olacak şekilde doğru kullanıma izin verir.
- Voltaj regülatörünün giriş pimini mikrodenetleyici kartı üzerindeki 5V güç pimlerinden birine bağlayın.
- Voltaj regülatörünün ayar pimini mikrodenetleyici kartındaki GPIO 23'e bağlayın.
- Elektromıknatısın giriş telini voltaj regülatörünün çıkış pimine bağlayın. Ardından, elektromıknatısın çıkış telini mikrodenetleyici üzerindeki bir topraklama pimine bağlayın; Bu, ikisini ek bir tel kullanarak bağlamak için breadboard'da başka bir sıra kullanıldığında en iyi şekilde elde edilir.
4. Sistemi çalıştırmak için kodu yükleme
NOT: Kodu yüklemek için adım 4.1 veya adım 4.2'nin izlenmesi gerekir. Adım 4.1, kamera kullanmayan kodun basit sürümü için talimatlar sağlar. Adım 4.2, kamera kullanan sürüm için talimatlar sağlar.
- Adımları Ek Dosya 6'da sağlanan yönergelerle uyumlu olarak gerçekleştirin.
- Terminali açın ve gerekli dosyaları depolamak için konuma gidin. Mikrodenetleyici kartında terminal komutunu 'mkdir' yazıp ardından istediğiniz dizin adını yazarak yeni bir dizin oluşturun. Bu dizin, tuzak teçhizatını çalıştırmak için dosyaları depolamak için kullanılacaktır.
- Ek Dosya 6'yı yeni dizine ekleyin. Ayrıntılar için dosyanın başlangıç bölümündeki benioku bölümüne bakın. Test numarasını istenen miktara değiştirdikten sonra, program çalışmaya hazırdır.
NOT: Bu dosya, bir çalıştırmada kaç test yapılacağını denetleyen num_tries adlı gerekli bir değişken içerir. Bu dosya her zaman daha hızlı testler için kısaltılabilen birkaç duraklama içerir.
- Aşağıdaki adımları izleyerek SQLite'ı mikrodenetleyici kartında çalıştırın ve görüntüleyin. Bu, Ek Dosya 7-11, bir kamera ve ilgili uzmanlığı gerektirir.
- Terminale 'Sudo apt-get install SQLite browser' ve 'Sudo apt-get install sqlite3' yazarak gerekli veritabanı kütüphanelerini mikrodenetleyici kartına kurun. Bu, mikrodenetleyici kartının Ek Dosya 9'u kullanarak testlerden gelen tüm verileri otomatik olarak depolamasına izin verecektir.
- Ek Dosya 11'i, kamera komut dosyasını fotoğraf makinesinde main.py şekilde kaydedin. Bu, bir dosya gezgini veya kamera için geliştirilen entegre geliştirme ortamı (IDE) aracılığıyla yapılabilir (bkz.
NOT: IDE, kullanıcıların kameranın çıkışını görmesine izin verdiği için önerilir, bu da kameranın doğru şekilde odaklandığından emin olurken yardımcı olur. - Fotoğraf makinesini mikrodenetleyici kartına bağlayın. Fotoğraf makinesindeki toprak pimi de dahil olmak üzere 4 pim kullanın. Topraklama pimini mikrodenetleyici kartının toprağına bağlamalıdır. Aşağıdaki pinler aşağıda belirtildiği gibi eşleşmelidir:
- Kamera pimi 8'i GPIO 19'a bağlayın: Bu pim, her tuzağın sonuçlarını pi'ye geri gönderir.
- Kamera pimi 9'u GPIO 17'ye bağla: Bu pim, fotoğraf makinesine aramaya başlama izni verir.
- Kamera pimi 7'yi GPIO 5'e bağla: Bu, fotoğraf makinesi durum pimidir.
- Tüm dosyaları depolamak için bir dizin oluşturun. Bu dizini oluşturduktan sonra, dosyaları Ek Dosya 7-10'da belirtildiği gibi dizine kaydedin; bunları sırasıyla readme.txt, main.py, electromagnet.py ve test_insert.py olarak yeniden adlandırın.
- Ek Dosya 7'yi (ReadMe.txt) okuyun.
NOT: Benioku dosyası, her dosyanın ne yaptığı ve veritabanının dizin yolu gibi her dosyada gerekebilecek değişiklikler hakkında iyi bir açıklama sağlar. - Adım 4.2.1'de yüklü olan Veritabanı görüntüleyicisini açın. Yeni veritabanı düğmesini tıklatın ve veritabanını diğer dosyalarla aynı dizine kaydedin. Yeni veritabanı, test_insert.py'de bulunan veritabanı dosyasının adıyla eşleşmelidir.
- Veritabanı içinde, verileri kaydetmek için yeni veritabanının içinde bir tablo oluşturun. Veritabanında parameter_type, trapped, testname, testnum ve rigID olmak üzere 5 alan vardır.
NOT: Tablo bölümleri belirtildiği gibi kesin olmalıdır, aksi takdirde Main.py ve test_insert.py daha fazla değişiklik yapılması gerekecektir.
5. Test Hazırlıkları
- Lensi lens tutucunun içine yerleştirerek lensi hazırlayın. Test sırasında lensin tutucunun içinde kaldığından emin olun. Burada biraz sıcak tutkal gerekebilir.
NOT: Sondaj makinesi, tuzak bölgelerinin doğru şekilde oluşmasını sağlamak için küresel bir bi-dışbükey kullanılmasını gerektirir. - Lensi hazırladıktan sonra (adım 5.1), lens tutucuyu optik rayın üzerine ve lazeri (bkz. Malzeme Tablosu) lazer tutucuya yerleştirin.
NOT: Malzeme listesinde önerilen lazer, kullanımdan önce kalibrasyon gerektirmez. Güvenlik gözlükleri, lazer kullanımda olduğu her zaman takılmalıdır.- Lensi ve lazeri veya başka bir ışık kaynağını kullanarak, lazerin odak noktasını bulun ve odak noktası elektromıknatıs üzerinde ortalanana kadar lens tutucuyu optik ray boyunca kaydırın.
NOT: Bu adım bindirme için kritik öneme sahiptir; odak noktası elektromıknatıs üzerinde ortalanmazsa, konsol platformu parçacıkları odak noktasına yükseltmez. - Bu noktayı gelecekte başvurmak üzere ahşap taban üzerinde bir kalemle işaretleyin.
NOT: Her lens zaten bir odak uzaklığı ölçümü ile birlikte gelir, ancak bu ölçümler her zaman doğru değildir.
- Lensi ve lazeri veya başka bir ışık kaynağını kullanarak, lazerin odak noktasını bulun ve odak noktası elektromıknatıs üzerinde ortalanana kadar lens tutucuyu optik ray boyunca kaydırın.
- Tuzak alıntısını hazırlayın
- Lazerin tekrar düzgün bir şekilde kapatıldığından emin olun.
- Sıcak bir tutkal tabancası kullanarak, elektromıknatısla aynı polariteye sahip küçük bir düğme mıknatısını (bkz. malzeme tablosu) platformun düz yüzeyine yapıştırın, böylece elektromıknatıs platformu itecektir.
NOT: Mıknatısların polaritesi uygun şekilde eşleştirilmelidir, böylece platform elektromıknatıs tarafından itilir ve parçacıkları lazer ışınına iterek yakalama meydana gelebilir. - 3D baskılı, konsol benzeri platformu alın ve platformu erimeye karşı koruyan siyah alüminyum folyo ile kaplayın.
NOT: Normal folyo kullanılabilir, ancak kamera sisteminin kullanılması için çok fazla parlamaya neden olur. Fotoğraf makinesiyle iyi çalışan siyah folyo bandı kullanmayı deneyin ( bkz. Malzeme tablosu) (Şekil 5A). Folyo tavsiye edilir, çünkü diğer maddeleri test etmek için kolayca değiştirilebilir, ancak istenirse benzer ürünler kullanılabilir. - Platformu alüminyum folyo ile kapladıktan sonra, test için kullanıcı tarafından seçilen seçilen partikül tipini platformun eğimli tarafına yerleştirin (partikül tipi seçenekleri için Malzeme Tablosuna bakın veya Şekil 6A'ya bakın).
- Konsol kollarını, mıknatıs tarafı dışarıya bakacak şekilde dairesel tutucuya yavaşça yerleştirin. Ardından test tüpünü yavaşça aynı tutucuya yerleştirin. Bu doğru yapılmışsa, mıknatıs neredeyse cama dokunacaktır (Şekil 5B).
- Test tüpünü, test tüpü tutucularının üzerine yerleştirin, böylece platform elektromıknatıs üzerinde ortalanır. Mıknatıs konsol platformuna uygun şekilde tutturulmuşsa, konsol elektromıknatıs tarafından itilmiş yukarı doğru bir konumda görünmelidir.
- Platformun üstünde/çevresinde meydana gelen tuzakları yakalamak için kamerayı kamera tutucusuna yerleştirin. Ardından diğer tüm konumları iki kez kontrol edin (Şekil 1I-J).
6. Teste başlama
NOT: Test için, adım 6.1 veya adım 6.2'ye uyulması gerekir.
- Adım 4.1'deki yönergeleri kullanıyorsanız, dosyada başlat düğmesine basın veya dosyayı terminalden normal şekilde başlatın.
- Adım 4.2'deki talimatları kullanıyorsanız, bu testi terminalden aşağıda belirtilen parametrelerle başlatın.
- Terminal komutlarını kullanarak, dosya sistemini "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter" komutuyla uygun dizinin içinde bir kez çalıştırın. Dosya main.py Ek Dosya 8'de verilmiştir.
- test_num istenen test sayısıyla değiştirin. Parameter_type odaklandığı parametre türüyle değiştirin.
NOT: Örneğin, hangi güçlü lazerin en iyisi olduğunu belirlemek için testler yapılıyorsa, Parameter_type laser_power ile değiştirilir ve exact_parameter mevcut lazerin optik çıkış gücü ile değiştirilir.
Representative Results
Yukarıdaki protokolü izleyerek elde edilen temel sonuç, çeşitli parametreleri hızlı bir şekilde test edebilen minyatür bir fotoforetik yakalama teçhizatı oluşturmaktır. Şimdiye kadar, bu makineler iki kritik parametreyi, lazer gücünü ve partikül türünü test etmek için kullanıldı. Birden fazla minyatür makinenin paralel çalışması, araştırmacıların çok daha hızlı bir sürede çok daha büyük örnek boyutlarına sahip veri toplamasına olanak sağlamıştır.
Yukarıdaki protokolü geliştirirken yapılan ilk test, bir lazer güç testiydi. Bu test sırasında, henüz geliştirilmediği için kamera algılama sistemi olmadan tek bir minyatür teçhizat kullanıldı; bunun yerine, protokolden adım 4.1 kullanılmıştır. Bu, tüm tuzak tespitlerinin veri toplanması için bir araştırmacının bulunmasını gerektiriyordu. Bu testin amacı, yakalamanın gerçekleşmesi için ideal lazer güç çıkışını belirlemekti. Makinedeki lazer ve lens arasına bir optik zayıflatıcı (değişken nötr yoğunluk filtresi) yerleştirilerek, lazerin optik gücü değiştirildi. Şekil 7 bu deneyin sonuçlarını göstermektedir. Yüksek optik güç çıkışı, daha yüksek bir yakalama oranına karşılık geliyordu. Tam güçte lazer, bu test için kaydedilen en yüksek yakalama oranına sahipti. Bununla birlikte, bu test ~ 120 mW maksimum optik güce sahip bir lazerle sınırlıydı.
İkinci test, hangi malzemenin veya maddenin en yüksek yakalama oranına sahip olacağını belirlemekti. Bu test, kamera algılama sistemi olmayan tekil bir minyatür test donanımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her parçacık için 100 denemelik bir numune büyüklüğü ile on farklı parçacık test edilmiştir (test edilen tüm maddeler açıklamalarıyla birlikte Malzeme Tablosunda bulunabilir). Örneklem büyüklüğü, bir araştırmacının veri toplama için her girişimi izlemesi gerektiği için 100 ile sınırlıydı. Gerekli tüm veriler iki iş günü içinde toplandı. Şekil 6A , parçacık tipi testinin sonuçlarını göstermektedir. Test edilen 10 malzeme/parçacık türünden elmas nanopartiküllerin (%55-75) ve yazıcı tonerinin sırasıyla %14 ve %10 oranlarıyla en iyi iki parçacık tipi olduğu bulunmuştur (Tablo 1).
İlk iki testten sonra, araştırmacılar test sırasında aktif izleme gerektiren tekil bir teçhizatla sınırlı hissettiler; bu, protokolde belirtilen adım 4.2'ye yol açtı. Bu seçenek, kullanıcıların aynı anda birkaç minyatür test donanımı çalıştırmasına olanak tanıyan ve test için bir kullanıcının bulunmasını gerektirmeyen bir kamera algılama sistemi içerir.
Bu yeni kamera sistemini test etmek için, parçacık tipi testinin değiştirilmiş bir yeniden testi yapıldı. Bu yeni parçacık tipi testi için başlangıçta yeniden test edilmek üzere kullanılan 10 parçacıktan sadece birkaç farklı parçacık tipi seçildi. Seçilen parçacıklar yeni bir test turuna tabi tutuldu. Dört minyatür test donanımından oluşan bir test donanımı "çiftliği" kullanılarak, seçilen parçacıkların her biri toplam 4.000 denemelik bir test numunesi boyutuna sahipti. Bir kez daha, gerekli tüm veriler iki tam iş günü içinde toplanmıştır (Tablo 2). Bu parçacık tipi yeniden testin temel amacı, yeni kamera sistemini test etmekti. Bu test, tuzakları bildiren bir araştırmacı ile ilk parçacık tipi testinden elde edilen sonuçların, kamera algılama sisteminden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmasına izin verdi. Test sonuçları orijinal testlerden biraz farklıydı, ancak yine de karşılaştırılabilir (Şekil 6B). İlk testteki en iyi parçacık tipi, elmas nanopartiküller% 55-75, yeniden testte hala en iyisiydi, ancak öncekinden biraz daha düşük bir yakalama oranına sahipti. Sonuçlardaki fark büyük olasılıkla daha büyük bir örneklem boyutu ve kusurlu bir kamera algılama sisteminden kaynaklanmaktadır. Bu parçacık testinin sonuçları beklenenden biraz farklı olsa da, lazer gücü veya lens odak uzaklığı gibi malzemenin sabit kaldığı diğer parametreleri test ederken, kamera komut dosyası tarafından toplanan sonuçlar güvenilir olacaktır.
Yapılan her üç testin de sonuçları, üzerinde gerçekleştirildikleri makinelere göredir, ancak verilerde bulunan eğilimler, diğer daha hassas fotoforetik test donanımlarında test edildiğinde doğru olduğunu kanıtlayacaktır. Minyatür test donanımlarının diğer test donanımlarının yerini tamamen alması amaçlanmamıştır. Yine de, araştırmacıların daha hassas teçhizatlar hakkında daha fazla araştırma için eğilimleri ve keşifleri bulmak için edison (deneme yanılma) testlerinde tüm parametreleri ve olasılıkları hızlı ve verimli bir şekilde keşfetmelerini sağlamak içindir.
Resim 1: Tamamlanan minyatür fotoforetik test donanımı ile teçhizat ilerlemesi. Şekil, adım 2 ve alt adımlarına karşılık gelir. (A) Adım 2.1'i gösterir. (B) Adım 2.2'yi, iki uzun kenarlı tabanı gösterir. (C) Adım 2.2'yi, makinenin çerçevesini, her iki tarafı da olan bir tabanı ve ilk lazer tutucuyu ve test tüpü tutucusunu gösterir. (D) Adım 2.3, kamera tutucuyu her iki elektromıknatıs tutucuyla birlikte gösterir. (E) Adım 2.3.1, Şekil 1C, D. (F) Adım 2.4, ikinci test tüpü tutucu ve ikinci lazer tutucu eklenmiştir. (G) İsteğe bağlı ışık kalkanı ve optik ray eklenmiştir. (H) Elektromıknatıs tutucusuna yerleştirilir. (I) Lazer ve test tüpü tutucularına yerleştirilmiştir. (J) Bu, mikrodenetleyici kartı için güç kaynağı olmadan tamamlanmış tüm test tig'sini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 2: 3D baskılı parçalar. Bu şekle lens tutucu, dairesel platform tutucu ve konsol platformu dahildir. 3D baskılı lens tutucunun tasarımı Ek Dosya 1'de bulunabilir. Bu lens tutucu, basıldığında, çapı 30 mm olan bir lens içindir. Ek Dosya 2-3 , platform tutucu ve platform için tasarımları içerir. Platform tutucunun, platformun kullanabileceği dört seti vardır, ancak teçhizatın tasarlandığı gibi çalışması için platformun şekilde belirtilen delikleri kullanması gerekir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 3: Etiketli lazer kesim parçaları. Bu şekil, isteğe bağlı ışık kalkanı hariç tüm lazer kesimli parçaların dosyasını içeren Ek Dosya 4'ün parçalarını etiketler. Baskıdan sonra, 1 taban, 2 taraf, 2 lazer tutucu, 2 test tüpü tutucu, 2 elektromıknatıs tutucu ve 2 kamera tutucu olmalıdır (yalnızca biri gereklidir). İsteğe bağlı ışık kalkanı Ek Dosya 5'te bulunabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 4: Gerilim regülatörü ve elektromıknatıs devresi . (A) Referans olarak, devreyi inşa ederken. Voltaj regülatörünün 3 pimli, bir ayarlama, giriş ve çıkış vardır. (B) Bu şekil, adım 3'te açıklanan tamamlanmış devreyi göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Platform hazırlıkları ve test tüpü tuzağı alıntısı . (A) Test yapılmadan önce platformun hazırlanması gerekir. Lazerin parçacıkları almak için parlayacağı parçacık rezervuarı, testten hemen önce platforma yerleştirilecektir. Siyah alüminyum folyo, parçacıklardan önce platforma yerleştirilmelidir. Bu, lazerin platformda erimesini önler. (B) Test sırasında, parçacıkların gerçek yakalanması test tüpü içinde gerçekleşir ve her tuzak girişimi için platformun tutarlı otomatik hareketini sağlar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Partikül tipi testi (manuel) ve (kamera). (A) En iyi yakalama oranına sahip parçacığı bulmak için 10 farklı parçacık testi yapıldı. (B) Bir kamera algılama sistemi ile ikinci bir parçacık tipi testi gerçekleştirilmiştir. Orijinal 10 parçacıktan sadece 4'ü test edildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Lazer güç testi sonuçları. Farklı lazer güç seviyeleri için yakalama oranı, lazer güç testi sırasında ölçüldü. Daha yüksek güçler daha yüksek tuzak oranları üretti. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Siyah İçki (toz) | Siyah İçki (macun) | Tungsten (12 mikron) | Tungsten (1-5 mikron) | Alüminyum Tozu | Yazıcı Toneri | Grafit | Elmas Nanopartiküller (%95) | Elmas Nanopartiküller (%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% | ||
Tablo 1: En iyi yakalama oranına sahip olacak parçacık tipi testinin sonuçları. 100 denemelik toplam örneklem büyüklüğü, her malzeme için 25'li 4 set halinde gerçekleştirildi.
| Siyah İçki Macunu | Elmas Nanopartiküller %55-75 | Grafit | Tungsten (12 mikron) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tablo 2: Kamera algılama sistemi ile yapılan partikül tipi testinin sonuçları. SQLite veritabanından toplanan veriler. Veriler başlangıçta malzeme başına 4000 örneklem büyüklüğü için 1000'lik 4 set halinde derlenmiştir. Her küme için ayrı ayrı kayıtlar SQLite'tan derlenmemiştir; sadece toplam yüzdeler derlendi.
Ek Dosya 1: File_1-lens tutucu.stl. Bu, lens tutucu için 3B yazdırma dosyasını içerir (bkz. Şekil 2). Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 2: File_2-Platform.stl. Bu, konsol platformu için 3B baskı dosyasını içerir (bkz. Şekil 2). Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 3: File_3-Platform Holder.stl. Bu, platform tutucu için 3B baskı dosyasını içerir (bkz. Şekil 2). Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 4: File_4-Rig Pieces.odg. Bu, makine parçaları için lazer kesim dosyasını içerir (bkz. Şekil 1 ve Şekil 3). Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 5: File_5-Light Shield.odg. Bu, isteğe bağlı ışık kalkanı/engelleyici için lazer kesim dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 6: File_6-Opt1.system.py. Bu, adım 4.1'deki talimatın kullanımı için tüm kodu içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Bu, Ek Dosyalar 8-11 için birkaç ayrıntı içeren benioku dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 8: File_8-Opt2.main.py. Bu, adım 4.2'de bulunan talimatların ana komut dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Bu, elektromıknatısı kontrol eden adım 4.2 için komut dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Bu, verileri veritabanına otomatik olarak yükleyen adım 4.2 komut dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Bu, adım 4.2.2 sırasında kameraya yüklenmesi gereken komut dosyasını içerir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Discussion
Mevcut protokol, bindirme makinesinin otomatik çalışması için kritik öneme sahip birkaç temel adım içermektedir. İlk olarak, elektromıknatıs belirtilen devre aracılığıyla mikrodenetleyici kartına uygun şekilde bağlanmalıdır. Elektromıknatıs olmadan, minyatür test donanımının toplam faydası kaybolur. Elektromıknatıs, konsol platformundaki parçacık rezervuarını lazerin yoluna yükselterek her yakalama girişimini kontrol eder. Her tuzak girişimi, platformu yükseltmek ve alçaltmak için başka bir döngüdür.
Kamera yalnızca protokolde açıklandığı gibi adım 4.2'de kullanılır, ancak bu seçenek için kritik öneme sahiptir. Adım 4.2, bir parçacığın sıkışıp kalmadığını algılamak için bir kamera gerektirir ve birden fazla makineden veri toplanmasına izin verir. Kamera doğru şekilde takılmazsa makine herhangi bir yakalama girişiminde bulunamaz.
Üçüncü ve en kritik adım olan adım 5.2.1, lazeri hizalamak ve odaklamaktır. Lens, odak noktası elektromıknatıs üzerinde oluşacak şekilde yerleştirilmelidir. Konsollu platform, elektromıknatıs üzerindeki odak noktasından geçecek ve parçacıkların yakalanmasına izin verecektir. Odak noktasının elektromıknatısın ortasının üzerinde ortalanmadığını varsayalım. Bu durumda, parçacıkları taşıyan konsol platformunun tuzaklar oluşturmak için odak noktasından geçmesini sağlamak zorlaşır. Bu, tuzakların eksikliğine yol açabilir. Platformun elektromıknatıs üzerinde yükseltilmesi de önemlidir, böylece lazer yolu platforma sürekli temas etmez. Bu, kameranın yanlış pozitifleri bildirmesine neden olabilir. Odak noktasının konumunu daha kolay ayarlamak için, makinenin kurulumunda optik bir ray kullanılması önerilir; bu, kullanıcıların odak noktasını doğru konumlandırmak için lens tutucuyu kolayca geriye veya ileriye doğru kaydırmalarını sağlar. Lazer ve test tüpü/konsol parçası, makine uygun şekilde inşa edilmişse zaten hizalanmıştır; optik rayın kullanılması, lensin diğer parçalarla aynı hizada kalmasını sağlayacaktır.
Protokol'de iki ayrı seçenek ayrıntılı olarak açıklanmıştır, adım 4.1 ve adım 4.2. İlk seçenek olan adım 4.1, minyatür kılavuz çekme makinesini çalıştırmanın orijinal basit yoludur. Bu seçenek, bir kamera sistemi yerine parçacıkları algılamak için insan gözüne dayanır. Bu seçenek, daha küçük veri kümelerini hızlı bir şekilde toplamak veya canlı bir gösterimin istendiği durumlarda en iyisidir. İlk seçenek, ikinci seçenek oluşturulmadan önce ilk iki deney sırasında kullanılmıştır. İkinci seçenek olan adım 4.2, otomatik algılama ve yakalama için bir kamera kullanır ve binlerce testin herhangi bir insan gözetimi olmadan çalıştırılmasına ve bir veritabanına girilmesine izin verir. Kameranın doğruluğu tam test koşuluna bağlıdır; Bazı daha yansıtıcı malzemeler, test edildiğinde, insan tespiti ile yapılan benzer testlere kıyasla daha az doğru bir yakalama oranına sahip gibi görünüyordu. Bununla birlikte, kameranın doğruluğunu artırmak için kamera komut dosyasındaki birkaç parametre değiştirilebilir. Kameranın tam doğruluğu geliştirilebilecek bir şeydir, ancak minyatür makineler ilk test için tasarlandığı için önemli bir endişe kaynağı değildir. İkinci seçenek, tek bir mikrodenetleyici kartından iki test donanımını çalıştırmak için kolayca değiştirilebilir; Bu değişikliğin ayrıntıları Ek Dosya 7'de yer almaktadır.
Mevcut çalışma, makine öğrenimi yoluyla daha kesin ve tutarlı bir otomatik tuzak algılama biçimi geliştiriyor. Bu yeni makine öğrenimi algılama sistemi, tamamlandığında, sıkışmış parçacıkları çok daha yüksek bir doğruluk oranıyla (% 95'in üzerinde) daha iyi tespit etmek için evrişimli sinir ağlarını kullanacak ve bu tür minyatür test donanımlarının fotoforetik tuzak ekran araştırmasının geleceği üzerindeki kullanımını ve etkisini daha da güçlendirecektir.
Mevcut temel formunda, minyatür yakalama teçhizatı birkaç şekilde sınırlıdır. Bu minyatür makineler, bir tuzak oluştuktan sonra parçacığı tarayarak gerçek OTD'ler oluşturamaz. Tasarım ayrıca, OTD'lerin oluşturulmasında gelecekte kullanılmak üzere tarayıcıların eklenme olasılığını da sınırlar. Tasarımın bir başka sınırlaması, belirli bir testin gerçekleşmesi için ek bileşenlere duyulan ihtiyaçtır. Örneğin, lazer güç testi sırasında farklı optik çıkış güç seviyelerinde veri kümelerini toplamak için değişken bir optik zayıflatıcı kullanılmıştır. Benzer şekilde, bir araştırmacı gelecekteki bir testte lazer dalga boyunu test etmek isterse, bu çalışmada kullanılan lazere ek olarak, farklı dalga boylarına sahip karşılaştırılabilir optik güce sahip birkaç lazere ihtiyaç duyacaktır. Makine büyük olasılıkla her lazeri tutmak için ek modifikasyonlar gerektirecektir, bu işlem böyle bir testin yapılabileceği hızı sınırlayacaktır, ancak yine de mümkün olacaktır. Bu tasarım aynı zamanda her lens için yeni bir lens tutucuyu 3D yazdırma ihtiyacıyla da belirlenir. Tasarım ve uygulama ayrıca, sıkışmanın meydana gelebileceği bölgeler oluşturmak için küresel sapma üreten küresel bikonveks lenslerle sınırlıdır.
İleriye dönük olarak, gelecekteki uygulamalar fotoforetik yakalama parametrelerinin sürekli test edilmesini ve optimizasyonunu içermektedir. Yukarıda kısaca belirtildiği gibi, minyatür yakalama makinesi, y ekseni ve x ekseni kontrolü için tarayıcılar eklenerek kolayca temel bir ucuz OTD sistemine dönüştürülebilir. Minyatür yakalama makinesinde kullanılan elektromıknatıs kontrollü parçacık dağıtımı, gelecekteki gelişmiş OTD sistemlerinde de uygulanabilir.
Minyatür yakalama teçhizatı, bu araştırma alanında nihayetinde benzersiz ve farklıdır, çünkü ucuz ve hızlı bir şekilde üretilebilir ve hızlı bir şekilde seri teste izin verir. Bu sondaj makinelerinin, fotoforetik yakalama parametrelerinin ilk testi ve optimizasyonu için tasarlanmış yalın sistemler olması amaçlanmıştır. Tek bir makine, saatte ~250 deneme hızında test yapabilir. Diğer birçok fotoforetik yakalama sistemi veya sondaj makinesi, daha iyi otomatik sistemlere sahip olmak veya başarılı bir tuzaktan sonra görüntü oluşturmak için parçacığı tarayarak daha fazlasını başarmak için geliştirilmiştir1,8. Bu minyatür yakalama sistemleri, bu tür sistemlerin kullanımının yerini almak için tasarlanmamıştır. Araştırmacılara iyi fotoforetik tuzaklama için neyin yapıldığını daha iyi anlamalarını sağlamak için fotoforetik tuzaklama parametrelerini ve koşullarını hızlı bir şekilde test etmeleri amaçlanmıştır. Minyatür tuzak teçhizatı, fotoforetik tuzak araştırmalarını demokratikleştirecek ve bu araştırma alanında yeni bir Edison deneyi ve ilerlemesi dalgasına izin verecektir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.
Acknowledgments
Yazarlar, Ulusal Bilim Vakfı'nın finansal desteğini minnetle kabul ediyor. NSF Ödülü 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).
