यह काम लघु स्वचालित photophoretic फँसाने रिग्स के निर्माण का वर्णन करता है और विशेषता है।
यह पेपर एक स्वचालित, तेजी से फैब-संगत, फोटोफोरेटिक ट्रैप टेस्ट रिग प्रस्तुत करता है ताकि वॉल्यूमेट्रिक डिस्प्ले रिसर्च के लोकतंत्रीकरण और क्राउडसोर्सिंग को सक्षम किया जा सके। रिग का निर्माण एक लेजर कटर, 3-आयामी (3 डी) प्रिंटर और सामान्य हाथ उपकरणों का उपयोग करके 2 घंटे के भीतर किया जा सकता है। अपने वर्तमान रूप में, रिग का उपयोग निम्नलिखित महत्वपूर्ण मापदंडों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है: कण प्रकार, जाल प्रकार, संख्यात्मक एपर्चर, और एयरफ्लो प्रति घंटे लगभग 250 नमूनों की दर से। मामूली संशोधन के साथ, रिग को पैरामीटर के एक बड़े सेट का परीक्षण करने के लिए बनाया जा सकता है, जैसे कि लेजर पावर और लेजर तरंग दैर्ध्य, उपयोगकर्ता की जरूरतों के आधार पर। रिग स्वचालित डेटा कैप्चर और विश्लेषण के लिए मशीन दृष्टि का उपयोग कर सकता है। परीक्षण रिग के संचालन और निर्माण को संक्षिप्त, आसान-से-पालन चरणों के साथ वर्णित किया गया है। बिजली और कण प्रकार पैरामीटर को कवर करने वाले चार-इकाई परीक्षण रिग ‘फार्म’ के परिणामों की सूचना दी जाती है। यह मंच पहुंच और लोकतंत्रीकरण के माध्यम से ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले पैरामीटर और शोधकर्ताओं के दायरे और संरचना को व्यापक बनाएगा।
ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले (ओटीडी) विज्ञान कथा में देखे गए प्रदर्शन ज्यामिति को संभव बनाता है। यह फोटोफेरेसिस के माध्यम से एक कण को फँसाकर और कण 1,2,3,4 को रोशन करके संचालित होता है। फिर, अंतरिक्ष के माध्यम से उस कण को खींचना हवा में एक छवि बनाता है जिसे दर्शक दृष्टि 5 की दृढ़ता के अनुसार निरंतर के रूप में मानता है। यह स्क्रीनलेस 3 डी तकनीक इसे लंबे समय तक फेंकने वाले अनुमानों, लंबी रेत तालिकाओं और रैप-अराउंड डिस्प्ले 1 जैसे ज्यामिति प्रदर्शित करने की अनुमति देती है। ये ज्यामिति विशिष्ट रूप से सम्मोहक हैं क्योंकि उन्हें कोई स्क्रीन की आवश्यकता नहीं होती है और ऐसी सामग्री बनाते हैं जिसे लगभग हर कोण से देखा जा सकता है।
Brigham Young University के शोधकर्ताओं ने अपनी पहली पीढ़ी के फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम में एक बीम विस्तारक और गैल्वेनोमीटर स्कैनर का उपयोग करके प्रारंभिक सफलता पाई, साथ ही कई दर्पण और एक या एक से अधिक गोलाकार लेंस के साथ गोलाकार विपथन 1,4 के माध्यम से एक फोटोफोरेटिक जाल बनाने के लिए। इस पहली पीढ़ी के फँसाने वाले रिग में सटीक रंगीन प्रदर्शन रोशनी की अनुमति देने के लिए आरजीबी (लाल-हरे-नीले) लेजर भी शामिल थे। इस फँसाने प्रणाली का उपयोग करते हुए, OTDs एक जटिल पथ के माध्यम से एक कण को स्थानांतरित करके बनाए जाते हैं। यह दृष्टिकोण छवियों के आकार को एक घन सेंटीमीटर के नीचे तक सीमित करता है और वायरफ्रेम और अन्य विरल सामग्री 6,7 के लिए वास्तविक समय की छवियों की जटिलता को सीमित करता है। इसके अलावा, इस तकनीक की स्केलिंग photophoretic फँसाने 8 की असंगति द्वारा सीमित है। यदि एक एकल जाल / कण प्रणाली को अनुकूलित किया जा सकता है, तो डिस्प्ले को स्केलिंग को एक अनुकूलित जाल की प्रतिकृति बनाकर और कई कणों को सिंक्रोनस रूप से फँसाने और स्कैन करके प्राप्त किया जा सकता है। एक एकल जाल के साथ किसी भी समस्या को एक बहु-जाल प्रणाली में संयोजित किया जाएगा, इसलिए जाल और कण मापदंडों का सावधानीपूर्वक अनुकूलन महत्वपूर्ण है।
एक व्यक्तिगत जाल / फँसाने प्रणाली के अनुकूलन के लिए फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम 7 के प्रत्येक पैरामीटर के लिए व्यापक परीक्षण करने की आवश्यकता होती है। इस तरह के मापदंडों में कण प्रकार (पदार्थ, आकार, आकार), लेजर शक्ति, लेजर तरंग दैर्ध्य और संख्यात्मक एपर्चर (फोकल लंबाई, व्यास, झुकाव) शामिल हैं। परीक्षण और प्रत्येक पैरामीटर के लिए त्रुटि के माध्यम से परीक्षण और प्रयोग व्यक्तिगत जाल और एकाधिक तुल्यकालिक जाल का अनुकूलन करेगा। फिर भी, उन्हें एकत्र करने के लिए बड़ी मात्रा में डेटा की आवश्यकता होगी।
अतीत में, गोलाकार विपथन के माध्यम से फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग को अनुकूलित करने के लिए अनुसंधान और परीक्षण प्रक्रिया केवल दुनिया भर के मुट्ठी भर शोधकर्ताओं द्वारा की गई है1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . हाल ही में, ब्रिघम यंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने आवश्यक डेटा एकत्र करने के लिए एक एकल, बड़े, महंगे ट्रैपिंग सिस्टम पर भरोसा किया है, जिसके कारण परीक्षण और डेटा एकत्र करने की प्रक्रिया धीमी हो गई 1,7। हालांकि, 20181 में 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए एक समाधान के रूप में ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले पेश करने के बाद से, सभी आयु समूहों और कई महाद्वीपों के व्यक्तियों ने अनुसंधान में भाग लेने की इच्छा व्यक्त की है। ओटीडी में उत्पन्न रुचि के कारण, शोधकर्ता सभी इच्छुक पार्टियों को अनुसंधान प्रक्रिया में भाग लेने की अनुमति देने का एक तरीका खोजना चाहते हैं। फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग रिग्स की पिछली पीढ़ियों, जिसमें बीम स्प्लिटर और गैल्वेनोमीटर शामिल थे, बड़े पैमाने पर उत्पादन और क्राउडसोर्स 1,6 के लिए बहुत महंगे और समय लेने वाले थे, इसलिए एक अलग समाधान की आवश्यकता थी।
एक नया लघु फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग रिग विकसित किया गया है, जो सभी इच्छुक पार्टियों को अनुसंधान में भाग लेने और ऊपर उल्लिखित सभी महत्वपूर्ण मापदंडों के लिए जल्दी से परीक्षण करने और डेटा इकट्ठा करने की अनुमति देता है। वे किसी भी व्यक्ति द्वारा तेजी से गढ़े जा सकते हैं जिनके पास 3 डी प्रिंटर और लेजर कटर तक पहुंच है। यह डिजाइन लागत और जटिलता को कम करने, जोखिम को कम करने और स्वचालन, इंटरकनेक्टिविटी और लचीलेपन को अधिकतम करने का प्रयास करता है (चित्रा 1)। नया रिग फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग संभव के लिए सबसे सरल ऑप्टिकल सेटअप को नियोजित करता है: एक एकल लेजर और लेंस 10। छोटे रिग्स एक बार सेट अप होने के बाद उपयोग करने के लिए सरल हैं और प्रति घंटे लगभग 250 प्रयासों की दर से परीक्षण कर सकते हैं।
भविष्य के नागरिक वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं के परीक्षणों से इन रिग्स से एकत्र किए गए डेटा से 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए इसके उपयोग में फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग विकसित करने में काफी मदद मिलेगी, जिससे ट्रैपिंग पैरामीटर और व्यक्तिगत जाल के अनुकूलन की अनुमति मिलती है।
वर्तमान प्रोटोकॉल में कई आवश्यक चरण होते हैं जो ट्रैपिंग रिग के स्वचालित चलने के लिए महत्वपूर्ण होते हैं। सबसे पहले, विद्युत चुंबक को निर्दिष्ट सर्किट के माध्यम से माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से उचित रूप से जोड़ा जाना चाहिए। विद्युत चुंबक के बिना, लघु परीक्षण रिग की कुल उपयोगिता खो जाती है। विद्युत चुंबक लेजर के पथ में कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म पर कण जलाशय को उठाकर प्रत्येक फँसाने के प्रयास को नियंत्रित करता है। प्रत्येक जाल प्रयास मंच को उठाने और कम करने का एक और चक्र है।
कैमरे का उपयोग केवल प्रोटोकॉल में वर्णित चरण 4.2 में किया जाता है, लेकिन यह उस विकल्प के लिए महत्वपूर्ण है। चरण 4.2 को यह पता लगाने के लिए एक कैमरे की आवश्यकता होती है कि क्या कोई कण फंस गया है, जिससे कई रिग्स से डेटा संग्रह की अनुमति मिलती है। यदि कैमरा सही ढंग से संलग्न नहीं है, तो रिग किसी भी ट्रैपिंग का प्रयास करने में सक्षम नहीं होगा।
तीसरा और सबसे महत्वपूर्ण कदम, चरण 5.2.1, लेजर को संरेखित और केंद्रित कर रहा है। लेंस को रखा जाना चाहिए ताकि फोकल पॉइंट इलेक्ट्रोमैग्नेट के ऊपर हो। कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म इलेक्ट्रोमैग्नेट के ऊपर फोकल पॉइंट से गुजरेगा, जिससे कणों को ट्रैप करने की अनुमति मिलती है। मान लीजिए कि केंद्र बिंदु विद्युत चुंबक के मध्य के ऊपर केंद्रित नहीं है। उस मामले में, यह सुनिश्चित करना चुनौतीपूर्ण हो जाता है कि कणों को ले जाने वाला कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म जाल बनाने के लिए फोकल पॉइंट से गुजरेगा। इससे जाल की कमी हो सकती है। यह भी आवश्यक है कि प्लेटफ़ॉर्म को इलेक्ट्रोमैग्नेट पर ऊंचा किया जाए ताकि लेजर पथ लगातार प्लेटफ़ॉर्म से संपर्क न कर सके। यह कैमरे को झूठी सकारात्मक रिपोर्ट करने का कारण बन सकता है। फोकल पॉइंट के स्थान को अधिक आसानी से समायोजित करने के लिए, रिग के सेटअप में ऑप्टिकल रेल का उपयोग करने का सुझाव दिया जाता है; यह उपयोगकर्ताओं को आसानी से लेंस धारक को पीछे या आगे स्लाइड करने के लिए फोकल पॉइंट को ठीक से स्थिति में लाने की अनुमति देगा। लेजर और टेस्ट ट्यूब / कैंटिलीवर भाग पहले से ही संरेखित हैं यदि रिग को उचित रूप से बनाया गया है; ऑप्टिकल रेल का उपयोग लेंस को अन्य भागों के साथ संरेखित रखेगा।
प्रोटोकॉल, चरण 4.1 और चरण 4.2 में दो अलग-अलग विकल्प विस्तृत हैं। पहला विकल्प, चरण 4.1, लघु दोहन रिग चलाने का मूल सरल तरीका है। यह विकल्प एक कैमरा सिस्टम के बजाय कणों का पता लगाने के लिए मानव आंख पर निर्भर करता है। यह विकल्प डेटा के छोटे सेट को जल्दी से या उन स्थितियों में एकत्र करने के लिए सबसे अच्छा है जहां लाइव प्रदर्शन वांछित है। पहले विकल्प का उपयोग पहले दो प्रयोगों के दौरान किया गया था, इससे पहले कि दूसरा विकल्प बनाया गया था। दूसरा विकल्प, चरण 4.2, स्वचालित पहचान और ट्रैपिंग के लिए एक कैमरे का उपयोग करता है, जिससे हजारों परीक्षणों को चलाने और बिना किसी मानव पर्यवेक्षण के डेटाबेस में प्रवेश करने की अनुमति मिलती है। कैमरे की सटीकता सटीक परीक्षण स्थिति पर निर्भर करती है; कुछ अधिक चिंतनशील सामग्री, जब परीक्षण किया जाता है, तो मानव का पता लगाने के साथ किए गए समान परीक्षणों की तुलना में कम सटीक फँसाने की दर दिखाई देती है। हालांकि, कैमरा स्क्रिप्ट में कई पैरामीटर को कैमरे की सटीकता बढ़ाने के लिए बदला जा सकता है। कैमरे की सटीक सटीकता कुछ ऐसी है जिसे सुधारा जा सकता है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण चिंता का विषय भी नहीं है क्योंकि लघु रिग प्रारंभिक परीक्षण के लिए हैं। दूसरे विकल्प को भी आसानी से एक एकल माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से दो परीक्षण रिग चलाने के लिए संशोधित किया जा सकता है; उस संशोधन के लिए विवरण अनुपूरक फ़ाइल 7 में शामिल हैं।
वर्तमान कार्य मशीन सीखने के माध्यम से स्वचालित जाल का पता लगाने का एक अधिक सटीक और सुसंगत रूप विकसित कर रहा है। यह नई मशीन लर्निंग डिटेक्शन सिस्टम, जब समाप्त हो जाता है, तो सटीकता की बहुत अधिक दर (95% से ऊपर) के साथ फंसे हुए कणों का बेहतर पता लगाने के लिए कनवल्शनल तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग करेगा, जो इस तरह के लघु परीक्षण रिग्स के उपयोग और प्रभाव को आगे बढ़ाएगा जो फोटोफोरेटिक ट्रैप डिस्प्ले रिसर्च के भविष्य पर हो सकता है।
अपने वर्तमान आधार रूप में, लघु फँसाने रिग कुछ मायनों में सीमित है। ये लघु रिग एक जाल होने के बाद कण को स्कैन करके वास्तविक ओटीडी बनाने में असमर्थ हैं। डिजाइन ओटीडी बनाने में भविष्य के उपयोग के लिए स्कैनर को जोड़े जाने की संभावना को भी सीमित करता है। डिजाइन की एक और सीमा एक विशिष्ट परीक्षण होने के लिए अतिरिक्त घटकों की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, लेजर पावर टेस्ट के दौरान विभिन्न ऑप्टिकल आउटपुट पावर स्तरों पर डेटा सेट एकत्र करने के लिए एक चर ऑप्टिकल एटेन्यूएटर का उपयोग किया गया था। इसी तरह, यदि कोई शोधकर्ता भविष्य के परीक्षण में लेजर तरंग दैर्ध्य का परीक्षण करना चाहता है, तो उन्हें इस काम में उपयोग किए जाने वाले लेजर के अलावा विभिन्न तरंग दैर्ध्य के साथ तुलनीय ऑप्टिकल शक्ति के कई अन्य लेजर की आवश्यकता होगी। रिग को प्रत्येक लेजर को पकड़ने के लिए अतिरिक्त संशोधनों की आवश्यकता होगी, यह प्रक्रिया उस गति को सीमित करेगी जिस पर इस तरह का परीक्षण किया जा सकता है, लेकिन यह अभी भी संभव होगा। यह डिजाइन प्रत्येक लेंस के लिए एक नए लेंस धारक को 3 डी प्रिंट करने की आवश्यकता से भी निर्धारित किया जाता है। डिजाइन और आवेदन भी गोलाकार द्विउत्तर लेंस तक सीमित हैं, जो उन क्षेत्रों को बनाने के लिए गोलाकार विपथन का उत्पादन करते हैं जहां फँसाना हो सकता है।
आगे बढ़ते हुए, भविष्य के अनुप्रयोगों में निरंतर परीक्षण और फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग पैरामीटर का अनुकूलन शामिल है। जैसा कि ऊपर संक्षेप में उल्लेख किया गया है, लघु फँसाने वाले रिग को आसानी से वाई-अक्ष और एक्स-अक्ष नियंत्रण के लिए स्कैनर जोड़कर एक बुनियादी सस्ती ओटीडी प्रणाली में संशोधित किया जा सकता है। लघु फँसाने रिग में उपयोग किए जाने वाले विद्युत चुंबक-नियंत्रित कण वितरण को भविष्य के उन्नत ओटीडी सिस्टम में भी लागू किया जा सकता है।
लघु फँसाने रिग अंततः अद्वितीय और अनुसंधान के इस क्षेत्र में अलग है क्योंकि यह सस्ती और जल्दी से गढ़ा जा सकता है, तेजी से बड़े पैमाने पर परीक्षण के लिए अनुमति देता है। इन रिग्स का मतलब फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग पैरामीटर के प्रारंभिक परीक्षण और अनुकूलन के लिए डिज़ाइन किए गए दुबला सिस्टम होना चाहिए। एक व्यक्तिगत रिग प्रति घंटे ~ 250 प्रयासों की दर से परीक्षण कर सकता है। कई अन्य प्रकार के फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम या रिग्स को बेहतर स्वचालित प्रणालियों के लिए विकसित किया गया है या एक सफल ट्रैप 1,8 के बाद एक छवि बनाने के लिए कण को स्कैन करके अधिक पूरा किया गया है। ये लघु फँसाने वाली प्रणालियां ऐसी प्रणालियों के उपयोग को प्रतिस्थापित करने के लिए नहीं हैं। वे जल्दी से पैरामीटर और photophoretic फँसाने की शर्तों का परीक्षण करने के लिए शोधकर्ताओं को क्या अच्छा photophoretic फँसाने के लिए बनाता है की एक बेहतर समझ देने का इरादा कर रहे हैं. लघु फँसाने रिग photophoretic जाल अनुसंधान democratize और अनुसंधान के इस क्षेत्र में एडिसोनियन प्रयोग और प्रगति की एक नई लहर के लिए अनुमति देगा।
The authors have nothing to disclose.
लेखक कृतज्ञतापूर्वक राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन से वित्तीय सहायता को स्वीकार करते हैं। एनएसएफ पुरस्कार आईडी-1846477।
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 |