Summary
Dette arbeidet beskriver og karakteriserer fabrikasjonen av miniatyr automatiske fotoforetiske fangstrigger.
Abstract
Dette dokumentet presenterer en automatisert, hurtig-fab-kompatibel, fotoforetisk felle testrigg for å muliggjøre demokratisering og crowdsourcing av volumetrisk skjermforskning. Riggen kan konstrueres innen 2 timer ved hjelp av en laserkutter, 3-dimensjonal (3D) skriver og vanlige håndverktøy. I sin nåværende form kan riggen brukes til å teste følgende kritiske parametere: partikkeltype, felletype, numerisk blenderåpning og luftstrøm med en hastighet på ca. 250 prøver per time. Med mindre modifikasjoner kan riggen gjøres for å teste et enda større sett med parametere, for eksempel laserkraft og laserbølgelengde, avhengig av brukerens behov. Riggen kan bruke maskinsyn til automatisert datafangst og -analyse. Driften og konstruksjonen av testriggen er beskrevet med konsise, lettfattede trinn. Resultater fra en fire-enhet testrigg 'gård' som dekker effekt- og partikkeltypeparametrene rapporteres. Denne plattformen vil utvide omfanget og sammensetningen av optiske felleskjermparametere og forskere gjennom tilgjengelighet og demokratisering.
Introduction
Den optiske fellevisningen (OTD) gjør det mulig å se skjermgeometriene sett i science fiction. Den opererer ved å fange en partikkel gjennom fotoferese og belyse partikkelen1,2,3,4. Deretter danner det å dra den partikkelen gjennom rommet et bilde i luften som betrakteren oppfatter som kontinuerlig i henhold til vedvarende syn5. Denne skjermløse 3D-teknologien gjør det mulig å vise geometrier som langkastprojeksjoner, høye sandbord og omsluttende skjermer1. Disse geometriene er unikt overbevisende fordi de ikke krever skjerm og lager innhold som kan sees fra nesten alle vinkler.
Forskere ved Brigham Young University fant innledende suksess i sin første generasjons fotoforetiske fangstsystem ved å bruke en stråleutviser og galvanometerskannere, sammen med flere speil og en eller flere sfæriske linser for å skape en fotoforetisk felle gjennom sfærisk avvik1,4. Denne førstegenerasjons fangstriggen inneholdt også RGB-lasere (rødgrønn-blå) for å muliggjøre presis farget skjermbelysning. Ved hjelp av dette overlappingssystemet opprettes OTDer ved å flytte en enkelt partikkel gjennom en innviklet bane. Denne tilnærmingen begrenser størrelsen på bilder til under en kubikkcentimeter og begrenser kompleksiteten til sanntidsbilder til trådrammer og annet sparsomt innhold6,7. Videre er skaleringen av denne teknologien begrenset av inkonsekvensen av fotoforetisk fangst8. Hvis et enkelt felle-/partikkelsystem kan optimaliseres, kan du oppnå skalering av skjermen ved å replikere en optimalisert overlapping og synkront overlappe og skanne flere partikler9. Eventuelle problemer med en enkelt felle vil bli sammensatt i et flerfellesystem, så nøye optimalisering av felle- og partikkelparametere er kritisk.
Optimalisering av et individuelt felle-/overlappingssystem krever omfattende testing for hver parameter i det fotoforetiske fangstsystemet7. Slike parametere inkluderer partikkeltype (substans, form, størrelse), laserkraft, laserbølgelengde og numerisk blenderåpning (brennvidde, diameter, tilt). Testing og eksperimentering gjennom prøving og feiling for hver parameter vil optimalisere individuelle feller og flere synkrone overlappinger. Likevel vil de kreve at store mengder data samles inn.
Tidligere har forskning og testingsprosessen for optimalisering av fotoforetisk fangst gjennom sfærisk avvik bare blitt gjort av en håndfull forskere over hele verden1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Inntil nylig har forskere ved Brigham Young University stolt på et enkelt, stort, dyrt fangstsystem for å samle inn dataene som trengs, noe som førte til at prosessen med å teste og samle inn data gikk tregt1,7. Men siden vi introduserte optiske felleskjermer som en løsning for 3D-visualisering i 20181, har personer i alle aldersgrupper og fra flere kontinenter uttrykt et ønske om å delta i forskningen. På grunn av den genererte interessen for OD-er har forskere ønsket å finne en måte å la alle interesserte delta i forskningsprosessen. Tidligere generasjoner av fotoforetiske fangstrigger, som inneholdt bjelkesplittere og galvanometre, var for dyre og tidkrevende for masseprodusering og crowdsource1,6, så en annen løsning var nødvendig.
En ny miniatyr fotoforetisk fangstrigg er utviklet, noe som gjør at alle interesserte kan delta i forskning og raskt teste og samle inn data for alle viktige parametere nevnt ovenfor. De kan fremstilles raskt av alle som har tilgang til en 3D-skriver og laserkutter. Denne utformingen forsøker å minimere kostnader og kompleksitet, redusere risiko og maksimere automatisering, sammenkobling og fleksibilitet (figur 1). Den nye riggen benytter det mest enkle optiske oppsettet for fotoforetisk fangst mulig: en enkelt laser og linse10. De små riggene er enkle å bruke når de er satt opp og kan teste med en hastighet på ca. 250 forsøk per time.
Dataene som samles inn fra disse riggene fra testene av fremtidige borgerforskere og forskere, vil bidra til å utvikle fotoforetisk fangst i bruken av 3D-visualisering ved å muliggjøre optimalisering av fangstparametere og individuelle feller.
Protocol
1.3D utskrift og laserskjæring av de nødvendige materialene
- 3D-print materialet som er oppført nedenfor
- Skriv ut linseholderen med en filament FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-skriver (se Materialfortegnelse) i henhold til informasjonen i tilleggsfil 1. Denne linseholderen er for et objektiv med en diameter på 30 mm (figur 2).
MERK: Filen kan enkelt tilpasses for å passe til andre linser. - Deretter skriver du ut cantilever-plattformen og holderen (figur 2) (tilleggsfil 2 og tilleggsfil 3).
MERK: Dette kan ta ~ 2-14 timer, avhengig av detaljene i utskriftene. Detaljene i utskriftene bør ikke påvirke overlappingshastigheten hvis nok av overlappingsstoffet er plassert (trinn 5.3.4).
- Skriv ut linseholderen med en filament FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-skriver (se Materialfortegnelse) i henhold til informasjonen i tilleggsfil 1. Denne linseholderen er for et objektiv med en diameter på 30 mm (figur 2).
- Bruk en 3D-laserkutter (se Materialtabell), klipp ut riggstykkene (figur 3) (Tilleggsfil 4-5).
MERK: Dette kuttet kan gjøres på ethvert materiale med kvart tomme tykkelse, men tre er det anbefalte materialet. Tilleggsfil 4 inneholder de nødvendige riggstykkene som passer på en 12 x 12 i trebiter. Tilleggsfil 5 inkluderer et valgfritt lysskjold / blokkering. - Bruk en glasskutter (se Materialbord), klipp et standard reagensrør (~2,5 cm i diameter) omtrent i to, slik at halvparten med to åpne ender er ~6,5 cm lange.
2. Montering av treriggene
MERK: Når du monterer treriggen, kan det stå "slide" i trinn 2.1 -2.5, men deler kan kreve mer kraft for å plasseres og bygges på riktig måte.
- Plasser bunnstykket ned med Y-emblemet vendt opp (figur 1A).
- Hold de to langsidestykkene på hver side av sokkelen mens den første laserholderen er sklidd på plass i den ene enden og den første reagensrørholderen på den andre siden (figur 1B,C).
- Skyv begge elektromagnetholderne bort på kameraholderen. Påse at magnetholderne er separert med ~1 cm på hver side (figur 1D).
- Skyv magnetholderne og kameraholderen som en enhet ved siden av den første reagensrørholderen, fordelt. Derfor kan 1 cm mellom reagensrørholderen og den første elektromagnetholderen (kanten av kameraholderen forbi elektromagnetholderen fungere som referanse for 1 cm) (figur 1E).
MERK: Både kameraholderen og lysskjoldet er ikke nødvendig for primær bruk av miniatyrfangstsystemet, men begge anbefales for ensartetheten til riggoppsettet.
- Skyv magnetholderne og kameraholderen som en enhet ved siden av den første reagensrørholderen, fordelt. Derfor kan 1 cm mellom reagensrørholderen og den første elektromagnetholderen (kanten av kameraholderen forbi elektromagnetholderen fungere som referanse for 1 cm) (figur 1E).
- Plasser deretter den andre reagensrørholderen etter begge elektromagnetholderne slik at det er ~ 1 cm mellomrom mellom den andre reagensrørholderen og den andre elektromagnetholderen.
MERK: Totalt, mellom de to reagensrørholderne, er det ~ 4 cm plass (kamerabraketten har en bredde på 4 cm, for en posisjoneringsreferanse) (figur 1F).- Hvis du bruker det valgfrie lysskjoldet/blokkeringen (tilleggsfil 5), skyver du lysskjoldet på motsatt ende av reagensrørholderne og elektromagnetholderne fra kameraholderen; Dette vil hjelpe deg med å midtstille og justere reagensglasset og elektromagnetholderne.
- Skyv den andre laserholderen på plass; ingen nøyaktig avstand er nødvendig. Anbefalt avstand er 3-4 cm, men dette må kanskje variere avhengig av lengden på laseren.
- Om ønskelig kan en optisk skinne (se Materialbord) gli under alle holderne for å justere andre elementer i overlappingssystemet. Dette vil være spesielt nyttig for å justere objektivet etter laseren og reagensglasset (figur 1G).
- Plasser elektromagneten (se Materialtabellen) i elektromagnetholderne (figur 1H).
3. Tilkobling av kretsen med det angitte mikrokontrollerkortet
- Koble en dataskjerm, et tastatur og en mus til mikrokontrollerkortet (se Materialfortegnelse). Start mikrokontrollerkortet og sørg for at operativsystemet fungerer. Ingen endringer i de opprinnelige mikrokontrollerkonfigurasjonene er nødvendig, selv om både VNC (virtuell nettverkstilkobling) og SSH (sikkert skall) kan velges om ønskelig. Dette vil tillate ekstern tilgang til mikrokontrolleren.
- Bygg elektromagnetkontrollkretsen ved hjelp av en spenningsregulator (se Materialtabell), et brødbrett og noen få ledninger (figur 4A).
MERK: Alle pinnenumrene til mikrokontrollerkortet er GPIO-pinnene (generelle inngangs- og utgangspinner).- Plasser spenningsregulatoren i brødplaten slik at hver pinne er i en annen rad for å tillate riktig bruk.
- Koble inngangspinnen til spenningsregulatoren til en av 5V-strømpinnene på mikrokontrollerkortet.
- Koble justeringspinnen til spenningsregulatoren til GPIO 23 på mikrokontrollerkortet.
- Koble inngangsledningen til elektromagneten til utgangspinnen til spenningsregulatoren. Koble deretter utgangsledningen til elektromagneten til en jordpinne på mikrokontrolleren; Dette oppnås best når du bruker en annen rad i brødplaten for å koble de to ved hjelp av en ekstra ledning.
4. Laste opp koden for å betjene systemet
MERK: For å laste opp koden må enten trinn 4.1 eller trinn 4.2 følges. Trinn 4.1 gir instruksjoner for den enkle versjonen av koden som ikke bruker et kamera. Trinn 4.2 inneholder instruksjoner for versjonen som bruker et kamera.
- Utfør trinnene i tråd med instruksjonene i tilleggsfil 6.
- Åpne terminalen og naviger til stedet for å lagre de nødvendige filene. Opprett en ny katalog på mikrokontrollerkortet ved å skrive inn terminalkommandoen 'mkdir' etterfulgt av ønsket katalognavn. Denne katalogen vil bli brukt til å lagre filene for å kjøre felleriggen.
- Sett inn tilleggsfil 6 i den nye katalogen. Se Viktig-delen i begynnelsen av filen hvis du vil ha mer informasjon. Når du har endret testnummeret til ønsket beløp, er programmet klart til å kjøres.
MERK: Denne filen inneholder en nødvendig variabel kalt num_tries som styrer hvor mange tester du skal gjøre i ett løp. Denne filen inneholder alltid noen få pauser, som kan forkortes for raskere tester.
- Kjør og vis SQLite på mikrokontrollerkortet ved å følge trinnene nedenfor. Dette krever tilleggsfil 7-11 og et kamera og relevant kompetanse.
- Installer de nødvendige databasebibliotekene på mikrokontrollerkortet ved å skrive inn terminalen 'Sudo apt-get install SQLite browser' og 'Sudo apt-get install sqlite3'. Dette vil tillate mikrokontrollerkortet å automatisk lagre alle data fra testene ved hjelp av Supplementary File 9.
- Lagre Tilleggsfil 11, kameraskriptet som main.py på kameraet. Dette kan gjøres gjennom en filutforsker eller det integrerte utviklingsmiljøet (IDE) utviklet for kameraet (se Tabell over materialer).
MERK: IDE anbefales fordi det lar brukerne se kameraets utgang, noe som hjelper når du sikrer at kameraet fokuserer riktig. - Koble kameraet til mikrokontrollerkortet. Bruk 4 pinner, inkludert jordingspinnen fra kameraet. Koble jordingspinnen til bakken på mikrokontrollerkortet. Følgende pinner skal samsvare som nevnt nedenfor:
- Koble kamerapinne 8 til GPIO 19: Denne pinnen sender resultatene av hver felle tilbake til pi.
- Koble kamerapinne 9 til GPIO 17: Denne pinnen gir kameraet tillatelse til å begynne å søke.
- Koble kamerapinne 7 til GPIO 5: Dette er kameraets statuspinne.
- Opprett en katalog for å lagre alle filene. Når du har opprettet denne mappen, lagrer du filene som angitt i Tilleggsfil 7-10 i katalogen. gi dem navnet Viktig.txt henholdsvis main.py, electromagnet.py og test_insert.py.
- Les gjennom Tilleggsfil 7 (Viktig.txt).
MERK: Viktig-filen gir en god forklaring på hva hver fil gjør, og endringene som kan være nødvendige for hver fil, for eksempel katalogbanen til databasen. - Åpne databasevisningsprogrammet som ble installert i trinn 4.2.1. Klikk den nye databaseknappen , og lagre databasen i samme mappe som de andre filene. Den nye databasen må samsvare med navnet på databasefilen som ble funnet i test_insert.py.
- I databasen oppretter du en tabell i den nye databasen for å lagre dataene. Databasen har 5 felt, parameter_type, overtrykket, testnavn, testnum og rigID.
MERK: Tabelldelene må være presise siden spesifiserte eller flere endringer må gjøres i Main.py og test_insert.py.
5. Test forberedelser
- Forbered linsen ved å plassere objektivet inne i linseholderen. Kontroller at objektivet holder seg inne i holderen under testing. Litt varmt lim kan være nødvendig her.
MERK: Riggen krever bruk av en sfærisk bikonveks for å sikre riktig dannelse av fangstområder. - Når du har klart objektivet (trinn 5.1), plasserer du linseholderen på den optiske skinnen og laseren (se Materialbord) i laserholderen.
MERK: Den foreslåtte laseren i listen over materialer krever ingen kalibrering før bruk. Vernebriller må brukes når laseren er i bruk.- Bruk linsen og laseren eller en annen lyskilde til å finne fokuspunktet til laseren og skyv linseholderen langs den optiske skinnen til fokuspunktet er sentrert over elektromagneten.
MERK: Dette trinnet er avgjørende for overlapping; Hvis fokuspunktet ikke er sentrert over elektromagneten, vil cantilever-plattformen ikke heve partikler inn i fokuspunktet. - Merk dette punktet med en blyant på trebasen for fremtidig referanse.
MERK: Hver linse leveres allerede med en brennviddemåling, men disse målingene er ikke alltid riktige.
- Bruk linsen og laseren eller en annen lyskilde til å finne fokuspunktet til laseren og skyv linseholderen langs den optiske skinnen til fokuspunktet er sentrert over elektromagneten.
- Klargjøre overlappingssiterer
- Kontroller at laseren er ordentlig slått av igjen.
- Bruk en varm limpistol, lim en liten knappmagnet (se Tabell over materialer) av samme polaritet som elektromagneten på plattformens flate overflate, slik at elektromagneten vil avvise plattformen.
MERK: Magnetenes polaritet må tilpasses på riktig måte slik at plattformen avstøtes av elektromagneten og skyver partiklene inn i laserstrålen slik at fangst kan oppstå. - Ta den 3D-trykte, cantilever-lignende plattformen og belegge plattformen i svart aluminiumsfolie, som beskytter plattformen mot smelting.
MERK: Vanlig folie kan brukes, men det fører til for mye gjenskinn for kamerasystemet som skal brukes. Prøv å bruke den svarte foliebåndet (se Materialbord), som fungerer fint med kameraet (figur 5A). Folie anbefales fordi det lett kan byttes ut for testing av andre stoffer, men lignende produkter kan brukes om ønskelig. - Etter å ha dekket plattformen med aluminiumsfolie, plasser den valgte partikkeltypen valgt av brukeren for testing på den skrå siden av plattformen (se Tabell over materialer for partikkeltypealternativer eller se figur 6A).
- Sett kantileverarmene forsiktig inn i den sirkulære holderen slik at magnetsiden vender ut. Sett deretter reagensglasset forsiktig inn i samme holder. Hvis dette er gjort riktig, vil magneten nesten berøre glasset (figur 5B).
- Plasser reagensglasset på reagensrørholderne slik at plattformen er sentrert over elektromagneten. Hvis magneten er riktig festet til cantilever-plattformen, skal cantileveren se ut til å være i en oppadgående posisjon avstøtet av elektromagneten.
- Plasser kameraet i kameraholderen for å fange opp feller som oppstår over/rundt plattformen. Dobbeltsjekk deretter alle andre posisjoneringer (figur 1I-J).
6. Starte testen
MERK: For testing må enten trinn 6.1 eller trinn 6.2 følges.
- Hvis du bruker instruksjoner fra trinn 4.1, trykker du på start i filen eller starter filen normalt fra terminalen.
- Hvis du bruker instruksjoner fra trinn 4.2, starter du denne testen fra terminalen med parametrene som nevnt nedenfor.
- Bruk terminalkommandoer til å kjøre filsystemet en gang inne i riktig katalog med kommandoen "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". Filen main.py finnes i tilleggsfil 8.
- Bytt ut test_num med ønsket antall tester. Erstatt Parameter_type etter parametertypen testen er fokusert på.
MERK: Hvis det for eksempel ble gjort tester for å finne ut hvilken laser som er best, ville Parameter_type bli erstattet av laser_power, og exact_parameter ville bli erstattet av den optiske utgangseffekten til den nåværende laseren.
Representative Results
Hovedresultatet oppnådd ved å følge protokollen ovenfor er å lage en miniatyr fotoforetisk fangstrigg, som raskt kan teste ulike parametere. Så langt har disse riggene blitt brukt til å teste to kritiske parametere, laserkraft og partikkeltype. Den parallelle driften av flere miniatyrrigger har gjort det mulig for forskere å samle inn data med mye større utvalgsstørrelser på mye raskere tid.
Den første testen, utført mens du utviklet protokollen ovenfor, var en laserkrafttest. En enkelt miniatyrrigg ble brukt under denne testen, uten kameradeteksjonssystemet, da den ennå ikke var utviklet; I stedet ble trinn 4.1 fra protokollen brukt. Dette krevde at en forsker var til stede for datainnsamlingen av alle felledeteksjoner. Målet med denne testen var å bestemme den ideelle lasereffekten for fangst. Ved å plassere en optisk demper (variabelt nøytralt tetthetsfilter) mellom laseren og objektivet på riggen, ble laserens optiske kraft variert. Figur 7 viser resultatene av dette eksperimentet. En høy optisk utgang tilsvarte en høyere grad av overlapping. Laseren med full effekt hadde den høyeste registrerte fangsthastigheten for denne testen. Denne testen var imidlertid begrenset til en laser med en maksimal optisk effekt på ~ 120 mW.
Den andre testen var å avgjøre hvilket materiale eller stoff som ville ha høyest fangsthastighet. Denne testen ble utført ved hjelp av en entall miniatyr testrigg uten kameradeteksjonssystemet. Ti forskjellige partikler ble testet med en prøvestørrelse på 100 forsøk for hver partikkel (alle stoffene som testes finnes i materialtabellen med deres beskrivelser). Utvalgsstørrelsen var begrenset til 100 på grunn av behovet for å få en forsker til å se hvert forsøk på datainnsamling. Alle nødvendige data ble samlet inn i løpet av to virkedager. Figur 6A viser resultatene av partikkeltypetesten. Av de 10 materialene/partiklene som ble testet, ble det funnet at diamant nanopartikler (55-75%) og skrivertoner var de to beste partikkeltypene med henholdsvis 14% og 10%(tabell 1).
Etter de to første testene følte forskerne seg begrenset til en entall rigg som krevde aktiv overvåking under testing; Dette førte til trinn 4.2 som er skissert i protokollen. Dette alternativet inkluderer et kameradeteksjonssystem, som gjør det mulig for brukere å kjøre flere miniatyrtestrigger om gangen og ikke krever en bruker til stede for testing.
For testing av dette nye kamerasystemet ble det utført en modifisert re-test av partikkeltypetesten. Bare noen få forskjellige partikkeltyper ble valgt ut fra de 10 som opprinnelig ble brukt til å bli testet på nytt for denne nye partikkeltypetesten. De valgte partiklene gjennomgikk en ny testrunde. Ved hjelp av en testrigg "farm" av fire miniatyrtestrigger hadde hver av de valgte partiklene en total testprøvestørrelse på 4000 forsøk. Nok en gang ble alle nødvendige data samlet inn i to hele arbeidsdager (tabell 2). Hovedformålet med denne partikkeltypens re-test var å teste det nye kamerasystemet. Denne testen tillot å sammenligne resultater fra den første partikkeltypetesten, med en forsker som rapporterte fellene, med resultatene fra kameradeteksjonssystemet. Testresultatene var litt annerledes enn de opprinnelige testene, men likevel sammenlignbare (figur 6B). Den beste partikkeltypen fra den første testen, diamant nanopartikler 55-75%, var fortsatt den beste i re-testen, men hadde en litt lavere fangsthastighet enn før. Forskjellen i resultatene skyldes mest sannsynlig en større prøvestørrelse og et ufullkommen kameradeteksjonssystem. Selv om resultatene for denne partikkeltesten var litt annerledes enn forventet, vil resultatene samlet inn av kameraskriptet være pålitelige når du tester andre parametere der materialet forblir konstant, for eksempel laserkraft eller objektiv brennvidde.
Resultatene fra alle de tre testene som er utført er i forhold til riggene de ble utført på, men trendene i dataene vil vise seg å være sanne når de testes på andre mer presise fotoforetiske testrigger. Miniatyrtestriggene er ikke ment å erstatte andre testrigger helt. Likevel er de ment å tillate forskere å utforske alle parametere og muligheter raskt og effektivt i edisonian (prøving og feiling) testing for å finne trender og funn for videre forskning på mer presise rigger.
Figur 1: Riggprogresjon med den fullførte miniatyr fotoforetiske testriggen. Figuren tilsvarer trinn 2 og deltrinnene. (A) Viser trinn 2.1. (B) Demonstrerer trinn 2.2, basen med de to langsidene. (C) Viser trinn 2.2, riggens ramme, en base med begge sider og den første laserholderen og reagensrørholderen. (D) Trinn 2.3 viser kameraholderen kombinert med begge elektromagnetholderne. (E) Trinn 2.3.1 tilbyr kombinasjonen av figur 1C, D. (F) Trinn 2.4, den andre reagensrørholderen og den andre laserholderen er lagt til. (G) Det valgfrie lysskjoldet og den optiske skinnen er lagt til. (H) Elektromagneten er plassert i holderen. (I) Laseren og reagensglasset er plassert i holderne. (J) Dette viser hele den fullførte testen tig uten strømkilden til mikrokontrollerkortet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: 3D-trykte deler. Inkludert i denne figuren er linseholderen, den sirkulære plattformholderen og cantilever-plattformen. Designet for den 3D-trykte linseholderen finner du i Supplemental File 1. Denne linseholderen, når den skrives ut, er for et objektiv på 30 mm i diameter. Tilleggsfil 2-3 inneholder designene for plattformholderen og plattformen. Plattformholderen har fire sett som plattformen kan bruke, men for at riggen skal fungere som den skal, bør plattformen bruke hullene som er angitt i figuren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Merkede laserskårne deler. Denne figuren merker delene av Supplementary File 4, som inneholder filen for alle laserskårne stykker bortsett fra det valgfrie lysskjoldet. Etter utskrift skal det være 1 base, 2 sider, 2 laserholdere, 2 reagensrørholdere, 2 elektromagnetholdere og 2 kameraholdere (bare en er nødvendig). Det valgfrie lysskjoldet finner du i tilleggsfil 5. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Spenningsregulator og elektromagnetkrets. (A) For referanse, ved bygging av kretsen. Spenningsregulatoren har 3 pinner, en justering, inngang og utgang. (B) Denne figuren viser den fullførte kretsen som er beskrevet i trinn 3. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Plattformpreparater og reagensrørfelle siterer. (A) Før testing kan gjøres, må plattformen utarbeides. Reservoaret av partikler der laseren vil skinne for å plukke opp partikler, vil bli plassert på plattformen umiddelbart før testing. Svart aluminiumsfolie skal plasseres på plattformen før partiklene. Dette forhindrer at laseren smelter gjennom plattformen. (B) Under testing oppstår den faktiske fangsten av partikler i reagensrøret, noe som sikrer konsekvent automatisk bevegelse av plattformen for hvert felleforsøk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Partikkeltypetest (manuell) og (kamera). (A) Det ble utført en test på 10 forskjellige partikler for å finne partikkelen med best fangsthastighet. (B) En andre partikkeltypetest ble utført med et kameradeteksjonssystem. Bare 4 av de opprinnelige 10 partiklene ble testet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Resultater av lasereffekttest. Fangsthastigheten for ulike lasereffektnivåer ble målt under lasereffekttesten. De høyere kreftene ga høyere fangstrater. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Svart brennevin (pulver) | Svart brennevin (lim inn) | Wolfram (12 mikron) | Wolfram (1-5 mikron) | Aluminium Pulver | Skrivertoner | Grafitt | Diamant nanopartikler (95%) | Diamant nanopartikler (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: Resultater av partikkeltypetesten som vil ha best overlappingshastighet. Den totale utvalgsstørrelsen på 100 forsøk ble utført i 4 sett med 25 for hvert materiale.
| Svart brennevinspasta | Diamant nanopartikler 55-75% | Grafitt | Wolfram (12 mikron) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tabell 2: Resultater av partikkeltypetesten utført med et kameradeteksjonssystem. Data samlet inn fra SQLite-databasen. Data ble først samlet i 4 sett med 1000 for en prøvestørrelse på 4000 per materiale. Individuelle poster for hvert sett ble ikke kompilert fra SQLite. Bare de totale prosentene ble kompilert.
Tilleggsfil 1: File_1-linseholder.stl. Denne inneholder 3D-utskriftsfilen for linseholderen (se figur 2). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: File_2-Platform.stl. Denne inneholder 3D-utskriftsfilen for cantilever-plattformen (se figur 2). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 3: File_3-Platform Holder.stl. Denne inneholder 3D-utskriftsfilen for plattformholderen (se figur 2). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 4: File_4-Rig Pieces.odg. Denne inneholder laserskjæringsfilen for riggstykkene (se figur 1 og figur 3). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 5: File_5-Light Shield.odg. Denne inneholder laserskjærefilen for den valgfrie lysskjoldet/blokkeringen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 6: File_6-Opt1.system.py. Denne inneholder hele koden for bruk av instruksjonen fra trinn 4.1. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Denne inneholder Viktig-filen med noen detaljer for tilleggsfiler 8-11. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 8: File_8-Opt2.main.py. Denne inneholder hovedskriptet for instruksjonene i trinn 4.2. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Denne inneholder skriptet for trinn 4.2 som styrer elektromagneten. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Denne inneholder skriptet for trinn 4.2 som automatisk laster opp data til databasen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Denne inneholder skriptet som må lastes opp til kameraet i trinn 4.2.2. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Den nåværende protokollen inneholder flere viktige trinn som er avgjørende for automatisk kjøring av fangstriggen. For det første må elektromagneten festes riktig til mikrokontrollerkortet gjennom den angitte kretsen. Uten elektromagneten går den totale nytten av miniatyrtestriggen tapt. Elektromagneten styrer hvert fangstforsøk ved å heve partikkelreservoaret på cantilever-plattformen opp i laserens bane. Hvert felleforsøk er en annen syklus med å heve og senke plattformen.
Kameraet brukes bare i trinn 4.2 som beskrevet i protokollen, men det er avgjørende for dette alternativet. Trinn 4.2 krever et kamera for å oppdage om en partikkel har blitt fanget, slik at datainnsamling fra flere rigger. Hvis kameraet ikke er riktig tilkoblet, kan ikke riggen prøve overlapping.
Det tredje og mest kritiske trinnet, trinn 5.2.1, er å justere og fokusere laseren. Linsen må plasseres slik at fokuspunktet oppstår over elektromagneten. Den cantilevered plattformen vil passere gjennom fokuspunktet over elektromagneten, slik at partikler kan fange. Anta at fokuspunktet ikke er sentrert over midten av elektromagneten. I så fall blir det utfordrende å sikre at cantilever-plattformen som bærer partikler vil passere gjennom fokuspunktet for å skape feller. Dette kan føre til mangel på feller. Det er også viktig at plattformen er forhøyet over elektromagneten slik at laserbanen ikke hele tiden kontakter plattformen. Dette kan føre til at kameraet rapporterer falske positiver. For å lettere justere fokuspunktets plassering, anbefales det å bruke en optisk skinne i oppsettet av riggen; Dette gjør det enkelt for brukerne å skyve linseholderen bakover eller fremover for å plassere fokuspunktet riktig. Laser- og reagensglasset/cantilever-delen er allerede justert hvis riggen er riktig bygget; Bruken av den optiske skinnen vil holde linsen på linje med de andre delene.
To separate alternativer er beskrevet i protokollen, trinn 4.1 og trinn 4.2. Det første alternativet, trinn 4.1, er den opprinnelige enkle måten å kjøre miniatyr tapperiggen på. Dette alternativet er avhengig av det menneskelige øye for å oppdage partikler i stedet for et kamerasystem. Dette alternativet er best når du skal samle inn mindre datasett raskt eller i situasjoner der du ønsker en direkte demonstrasjon. Det første alternativet ble brukt under de to første eksperimentene før det andre alternativet ble opprettet. Det andre alternativet, trinn 4.2, bruker et kamera for automatisk deteksjon og overlapping, slik at tusenvis av tester kan kjøres og legges inn i en database uten menneskelig tilsyn. Nøyaktigheten til kameraet avhenger av den nøyaktige testtilstanden; visse mer reflekterende materialer, når de ble testet, så ut til å ha en mindre nøyaktig overlappingshastighet sammenlignet med lignende tester gjort med menneskelig deteksjon. Flere parametere i kameraskriptet kan imidlertid endres for å øke kameraets nøyaktighet. Den nøyaktige nøyaktigheten til kameraet er noe som kan forbedres, men det er heller ikke en betydelig bekymring fordi miniatyrriggene er ment for første testing. Det andre alternativet kan også enkelt endres for å kjøre to testrigger fra et enkelt mikrokontrollerkort; detaljer for denne endringen er inkludert i tilleggsfil 7.
Dagens arbeid utvikler en mer nøyaktig og konsistent form for automatisk felledeteksjon gjennom maskinlæring. Dette nye deteksjonssystemet for maskinlæring, når det er ferdig, vil bruke konvolusjonelle nevrale nettverk for bedre å oppdage fanget partikler med en mye høyere nøyaktighetsgrad (over 95%), noe som ytterligere styrker bruken og effekten slike miniatyrtestingsrigger kan ha på fremtiden for fotoforetisk fellevisningsforskning.
I sin nåværende basisform er miniatyrfangstriggen begrenset på noen få måter. Disse miniatyrriggene kan ikke lage faktiske OTDer ved å skanne partikkelen etter at en felle har skjedd. Designet begrenser også muligheten for at skannere blir lagt til for fremtidig bruk ved å lage OTDer. En annen begrensning ved utformingen er behovet for tilleggskomponenter for at en bestemt test skal skje. For eksempel ble en variabel optisk demper brukt til å samle datasettene på forskjellige optiske utgangseffektnivåer under lasereffekttesten. På samme måte, hvis en forsker ønsket å teste laserbølgelengde i en fremtidig test, ville de kreve flere andre lasere med sammenlignbar optisk kraft med forskjellige bølgelengder i tillegg til laseren som brukes i dette arbeidet. Riggen vil mest sannsynlig kreve ytterligere modifikasjoner for å holde hver laser, denne prosessen vil begrense hastigheten som en slik test kan utføres med, men det vil fortsatt være mulig. Denne designen bestemmes også av behovet for å 3D skrive ut en ny linseholder for hvert objektiv. Designet og applikasjonen er også begrenset til sfæriske bikonvekse linser, som produserer sfærisk avvik for å danne regioner der fangst kan oppstå.
Fremover inkluderer fremtidige applikasjoner fortsatt testing og optimalisering av fotoforetiske overlappingsparametere. Som kort nevnt ovenfor, kan miniatyrfangstriggen enkelt endres til et grunnleggende billig OTD-system ved å legge til skannere for y-aksen og x-aksekontrollen. Den elektromagnetkontrollerte partikkelleveransen som brukes i miniatyrfangstriggen kan også implementeres i fremtidige avanserte OTD-systemer.
Miniatyrfangstriggen er til syvende og sist unik og distinkt innen dette forskningsfeltet fordi den kan fremstilles billig og raskt, noe som gir rask massetesting. Disse riggene er ment å være magre systemer designet for innledende testing og optimalisering av fotoforetiske fangstparametere. En individuell rigg kan teste med en hastighet på ~ 250 forsøk per time. Mange andre typer fotoforetiske fangstsystemer eller rigger er utviklet for å ha bedre automatiske systemer eller oppnå mer ved å skanne partikkelen for å lage et bilde etter en vellykket felle1,8. Disse miniatyrfangstsystemene er ikke ment å erstatte bruken av slike systemer. De er ment å raskt teste parametere og betingelser for fotoforetisk fangst for å gi forskere en bedre forståelse av hva som gir god fotoforetisk fangst. Miniatyrfangstriggen vil demokratisere fotoforetisk felleforskning og muliggjøre en ny bølge av edisonsk eksperimentering og progresjon innen dette forskningsfeltet.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne anerkjenner takknemlig økonomisk støtte fra National Science Foundation. NSF-pris-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).
