Summary
Данная работа описывает и характеризует изготовление миниатюрных автоматических фотофоретических улавливающих установок.
Abstract
В этом документе представлен автоматизированный, быстро-совместимый, фотофоретический испытательный стенд для обеспечения демократизации и краудсорсинга объемных исследований дисплеев. Установка может быть построена в течение 2 часов с использованием лазерного резака, 3-мерного (3D) принтера и обычных ручных инструментов. В своем нынешнем виде установка может использоваться для проверки следующих критических параметров: тип частиц, тип ловушки, числовая апертура и воздушный поток со скоростью около 250 образцов в час. С незначительными изменениями установка может быть сделана для тестирования еще большего набора параметров, таких как мощность лазера и длина волны лазера, в зависимости от потребностей пользователя. Установка может использовать машинное зрение для автоматизированного сбора и анализа данных. Эксплуатация и конструкция испытательного стенда описаны с краткими, простыми в использовании шагами. Сообщаются результаты четырехблочной испытательной установки «фермы», охватывающей параметры мощности и типа частиц. Эта платформа расширит область применения и состав параметров отображения оптической ловушки и исследователей за счет доступности и демократизации.
Introduction
Оптический дисплей ловушки (OTD) делает возможным отображение геометрии, наблюдаемой в научной фантастике. Он работает, захватывая частицу посредством фотофереза и освещая частицу1,2,3,4. Затем, перетаскивая эту частицу через пространство, образуется изображение в воздухе, которое зритель воспринимает как непрерывное в соответствии с постоянством зрения5. Эта бесэкранная 3D-технология позволяет отображать геометрию, такую как проекции с длинным броском, высокие песчаные столы и обтекаемые дисплеи1. Эти геометрии уникально привлекательны, потому что они не требуют экрана и создают контент, который можно увидеть практически под любым углом.
Исследователи из Университета Бригама Янга обнаружили первоначальный успех в своей системе фотофоретической ловушки первого поколения, используя расширитель луча и сканеры гальванометра, а также несколько зеркал и одну или несколько сферических линз для создания фотофоретической ловушки через сферическую аберрацию1,4. Эта ловушка первого поколения также содержала RGB (красно-зелено-синие) лазеры, чтобы обеспечить точную цветную подсветку дисплея. Используя эту систему треппинга, OTD создаются путем перемещения одной частицы по запутанному пути. Этот подход ограничивает размер изображений до кубических сантиметров и ограничивает сложность изображений в реальном времени каркасами и другим разреженным содержимым6,7. Кроме того, масштабирование этой технологии ограничено несогласованностью фотофоретического захвата8. Если можно оптимизировать систему одной ловушки/частицы, масштабирование дисплея может быть достигнуто путем репликации оптимизированной ловушки и синхронного улавливания и сканирования нескольких частиц9. Любые проблемы с одной ловушкой будут усугубляться в системе с несколькими ловушками, поэтому тщательная оптимизация параметров ловушки и частиц имеет решающее значение.
Оптимизация отдельной системы улавливания/ловушки требует проведения обширных испытаний для каждого параметра фотофоретической системы улавливания7. К таким параметрам относятся тип частиц (вещество, форма, размер), мощность лазера, длина волны лазера и числовая апертура (фокусное расстояние, диаметр, наклон). Тестирование и экспериментирование методом проб и ошибок для каждого параметра позволит оптимизировать отдельные ловушки и несколько синхронных ловушек. Тем не менее, они потребуют больших объемов данных для сбора.
В прошлом процесс исследований и тестирования для оптимизации фотофоретического улавливания через сферическую аберрацию проводился только несколькими исследователями по всему миру1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . До недавнего времени исследователи из Университета Бригама Янга полагались на единую, большую, дорогую систему улавливания для сбора необходимых данных, что привело к замедлению процесса тестирования и сбора данных1,7. Однако с момента внедрения оптических дисплеев-ловушек в качестве решения для 3D-визуализации в 20181 году люди всех возрастных групп и с нескольких континентов выразили желание участвовать в исследовании. Из-за вызванного интереса к OTD исследователи хотели найти способ позволить всем заинтересованным сторонам участвовать в исследовательском процессе. Предыдущие поколения фотофоретических улавливающих установок, которые содержали светоделители и гальванометры, были слишком дорогими и трудоемкими для массового производства и краудсорсинга1,6, поэтому требовалось другое решение.
Разработана новая миниатюрная фотофоретическая улавливающая установка, которая позволяет всем заинтересованным сторонам участвовать в исследованиях и быстро тестировать и собирать данные по всем значимым параметрам, упомянутым выше. Они могут быть быстро изготовлены любым, у кого есть доступ к 3D-принтеру и лазерному резаку. Эта конструкция пытается минимизировать затраты и сложность, снизить риски и максимизировать автоматизацию, взаимосвязанность и гибкость (рисунок 1). Новая установка использует самую простую оптическую установку для фотофоретического улавливания: один лазер и объектив10. Небольшие буровые установки просты в использовании после настройки и могут тестировать со скоростью около 250 попыток в час.
Данные, собранные с этих установок из тестов будущих гражданских ученых и исследователей, значительно помогут разработать фотофоретический захват в его использовании для 3D-визуализации, позволяя оптимизировать параметры улавливания и отдельные ловушки.
Protocol
1.3D печать и лазерная резка необходимых материалов
- 3D-печать материалов, перечисленных ниже
- Распечатайте держатель объектива с помощью 3D-принтера FDM (Fused Deposition Modeling) (см. Таблицу материалов) в соответствии с информацией, представленной в Дополнительном файле 1. Этот держатель объектива предназначен для объектива диаметром 30 мм (рисунок 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Файл может быть легко настроен для других объективов. - Затем распечатайте консольную платформу и держатель (рисунок 2) (Дополнительный файл 2 и Дополнительный файл 3).
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может занять ~ 2-14 часов, в зависимости от деталей отпечатков. Детализация отпечатков не должна влиять на скорость улавливания, если было помещено достаточное количество улавливающего вещества (этап 5.3.4).
- Распечатайте держатель объектива с помощью 3D-принтера FDM (Fused Deposition Modeling) (см. Таблицу материалов) в соответствии с информацией, представленной в Дополнительном файле 1. Этот держатель объектива предназначен для объектива диаметром 30 мм (рисунок 2).
- С помощью 3D-лазерного резака (см. Таблицу материалов) вырежьте куски буровой установки (рисунок 3) (Дополнительный файл 4-5).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот разрез может быть сделан на любом материале толщиной в четверть дюйма, но дерево является рекомендуемым материалом. Дополнительный файл 4 содержит необходимые куски оснастки, которые помещаются на куске дерева размером 12 x 12. Дополнительный файл 5 включает в себя дополнительный световой экран/блокиратор. - Используя стеклорез (см. Таблицу материалов), разрежьте стандартную пробирку (~2,5 см в диаметре) примерно пополам так, чтобы половина с двумя открытыми концами имела длину ~6,5 см.
2. Сборка деревянных буровых установок
ПРИМЕЧАНИЕ: При сборке деревянной оснастки в инструкциях на этапах 2.1 -2.5 может быть написано «скольжение», но для правильного расположения и сборки деталей может потребоваться большее усилие.
- Поместите базовую часть вниз эмблемой Y вверх (рисунок 1A).
- Держите две длинные боковые части по обе стороны от основания, в то время как первый держатель лазера сдвинут на один конец, а первый держатель пробирки - с другой стороны (рисунок 1B, C).
- Отодвиньте в сторону оба держателя электромагнитов на держатель камеры. Убедитесь, что держатели магнитов разделены ~1 см с каждой стороны (рисунок 1D).
- Сдвиньте держатели магнитов и держатель камеры как единое целое рядом с первым держателем пробирки, расположенным на расстоянии. Следовательно, 1 см между держателем пробирки и первым держателем электромагнита (край держателя камеры мимо держателя электромагнита может служить ориентиром для 1 см) (рисунок 1E).
ПРИМЕЧАНИЕ: Как держатель камеры, так и световой экран не требуются для основного использования миниатюрной системы улавливания, но оба рекомендуются для равномерности установки установки установки.
- Сдвиньте держатели магнитов и держатель камеры как единое целое рядом с первым держателем пробирки, расположенным на расстоянии. Следовательно, 1 см между держателем пробирки и первым держателем электромагнита (край держателя камеры мимо держателя электромагнита может служить ориентиром для 1 см) (рисунок 1E).
- Затем поместите второй держатель пробирки после обоих держателей электромагнита так, чтобы между вторым держателем пробирки и вторым держателем электромагнита оставалось пространство ~ 1 см.
ПРИМЕЧАНИЕ: В общей сложности между двумя держателями пробирки имеется ~4 см пространства (крепление камеры имеет ширину 4 см, для ориентира позиционирования) (рисунок 1F).- При использовании дополнительного светового щита/блокиратора (дополнительный файл 5) сдвиньте световой экран на противоположный конец держателей пробирок и держателей электромагнитов от держателя камеры; это поможет центрировать и выровнять пробирки и держатели электромагнитов.
- Сдвиньте второй держатель лазера на место; точное расстояние не требуется. Рекомендуемое расстояние составляет 3-4 см, но это может потребоваться в зависимости от длины лазера.
- При желании оптический рельс (см. Таблицу материалов) можно скользить под всеми держателями для выравнивания других элементов системы улавливания. Это будет особенно полезно для выравнивания линзы с лазером и пробиркой (рисунок 1G).
- Поместите электромагнит (см. Таблицу материалов) в держатели электромагнитов (рисунок 1H).
3. Соединение схемы с указанной платой микроконтроллера
- Подключите монитор компьютера, клавиатуру и мышь к плате микроконтроллера (см. Таблицу материалов). Запустите плату микроконтроллера и убедитесь, что операционная система функционирует. Никаких изменений в исходных конфигурациях микроконтроллеров не требуется, хотя при желании можно выбрать как VNC (виртуальное сетевое соединение), так и SSH (безопасная оболочка). Это позволит получить удаленный доступ к микроконтроллеру.
- Постройте схему управления электромагнитом с помощью регулятора напряжения (см. Таблицу материалов), макетной платы и нескольких проводов (рисунок 4А).
ПРИМЕЧАНИЕ: Все номера контактов для платы микроконтроллера являются контактами GPIO (вход и выход общего назначения).- Поместите стабилизатор напряжения в макетную плату так, чтобы каждый контакт находился в отдельном ряду, чтобы обеспечить правильное использование.
- Подключите входной контакт стабилизатора напряжения к одному из контактов питания 5 В на плате микроконтроллера.
- Подключите регулировочный контакт регулятора напряжения к GPIO 23 на плате микроконтроллера.
- Подключите входной провод электромагнита к выходному контакту регулятора напряжения. Затем подключите выходной провод электромагнита к контакту заземления на микроконтроллере; это лучше всего достигается при использовании другого ряда в макетной плате для соединения их с помощью дополнительного провода.
4. Загрузка кода для управления системой
ПРИМЕЧАНИЕ: Для загрузки кода необходимо выполнить либо шаг 4.1, либо шаг 4.2. Шаг 4.1 содержит инструкции для простой версии кода, которая не использует камеру. Шаг 4.2 содержит инструкции для версии, использующей камеру.
- Выполните действия в соответствии с инструкциями, приведенными в дополнительном файле 6.
- Откройте терминал и перейдите к расположению для хранения необходимых файлов. Создайте новый каталог на плате микроконтроллера, введя команду терминала 'mkdir', за которой следует нужное имя каталога. Этот каталог будет использоваться для хранения файлов для запуска ловушки.
- Вставьте дополнительный файл 6 в новый каталог. Дополнительные сведения см. в разделе readme в начале файла. После изменения тестового номера на нужную сумму программа готова к запуску.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот файл содержит одну необходимую переменную с именем num_tries которая определяет, сколько тестов необходимо выполнить за один запуск. Этот файл всегда содержит несколько пауз, которые можно сократить для более быстрых тестов.
- Запустите и просмотрите SQLite на плате микроконтроллера, выполнив следующие действия. Для этого требуется дополнительный файл 7-11 , камера и соответствующий опыт.
- Установите необходимые библиотеки баз данных на плату микроконтроллера, набрав в терминале 'Sudo apt-get install SQLite browser' и 'Sudo apt-get install sqlite3'. Это позволит плате микроконтроллера автоматически сохранять все данные тестов с помощью дополнительного файла 9.
- Сохраните дополнительный файл 11, сценарий камеры, как main.py на камере. Это можно сделать с помощью проводника файлов или интегрированной среды разработки (IDE), разработанной для камеры (см. Таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: IDE рекомендуется, потому что она позволяет пользователям видеть выход камеры, что помогает при обеспечении правильной фокусировки камеры. - Подключите камеру к плате микроконтроллера. Используйте 4 контакта, включая контакт заземления от камеры. Подключите контакт заземления к земле платы микроконтроллера. Следующие контакты должны совпадать, как указано ниже:
- Контакт 8 подключения камеры к GPIO 19: этот контакт отправляет результаты каждой ловушки обратно в pi.
- Контакт 9 подключения камеры к GPIO 17: этот контакт дает камере разрешение на начало поиска.
- Подключите контакт 7 камеры к GPIO 5: это контакт состояния камеры.
- Создайте каталог для хранения всех файлов. После создания этого каталога сохраните файлы, как указано в Дополнительном файле 7-10 в каталоге; переименовать их в readme.txt, main.py, electromagnet.py и test_insert.py соответственно.
- Прочитайте дополнительный файл 7 (ReadMe.txt).
ПРИМЕЧАНИЕ: Файл readme дает хорошее объяснение того, что делает каждый файл, и изменений, которые могут потребоваться для каждого файла, таких как путь к каталогу базы данных. - Откройте средство просмотра баз данных, установленное на шаге 4.2.1. Нажмите кнопку создать базу данных и сохраните базу данных в том же каталоге, что и другие файлы. Новая база данных должна совпадать с именем файла базы данных, найденного в test_insert.py.
- Внутри базы данных создайте таблицу внутри новой базы данных для сохранения данных. База данных содержит 5 полей: parameter_type, trapped, testname, testnum и rigID.
ПРИМЕЧАНИЕ: Разделы таблицы должны быть точными, как указано, или необходимо будет внести больше изменений в Main.py и test_insert.py.
5. Подготовка к тестам
- Подготовьте линзу, поместив линзу внутрь держателя объектива. Убедитесь, что объектив остается внутри держателя во время тестирования. Здесь может понадобиться горячий клей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Буровая установка требует использования сферической бивыпуклой для обеспечения правильного формирования областей захвата. - После подготовки линзы (этап 5.1) поместите держатель линзы на оптическую рейку, а лазер (см. Таблицу материалов) в держатель лазера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предлагаемый лазер в списке материалов не требует калибровки перед использованием. Защитные очки необходимо носить каждый раз, когда используется лазер.- Используя линзу и лазер или другой источник света, найдите фокусную точку лазера и сдвиньте держатель линзы вдоль оптической рейки, пока фокусная точка не будет центрирована над электромагнитом.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг имеет решающее значение для треппинга; если фокусная точка не центрирована над электромагнитом, консольная платформа не будет поднимать частицы в фокусную точку. - Отметьте эту точку карандашом на деревянном основании для дальнейшего использования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый объектив уже поставляется с измерением фокусного расстояния, но эти измерения не всегда верны.
- Используя линзу и лазер или другой источник света, найдите фокусную точку лазера и сдвиньте держатель линзы вдоль оптической рейки, пока фокусная точка не будет центрирована над электромагнитом.
- Подготовка ссылки на треппинг
- Убедитесь, что лазер снова правильно выключен.
- С помощью горячего клеевого пистолета приклейте небольшой магнит-кнопку (см. Таблицу материалов) той же полярности, что и электромагнит, на плоскую поверхность платформы, чтобы электромагнит отталкивал платформу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Полярность магнитов должна быть соответствующим образом согласована таким образом, чтобы платформа отталкивалась электромагнитом, толкая частицы в луч лазера, чтобы можно было произойти захват. - Возьмите 3D-печатную консольную платформу и покройте платформу черной алюминиевой фольгой, которая защищает платформу от плавления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Можно использовать обычную фольгу, но она вызывает слишком много бликов для использования системы камер. Попробуйте использовать ленту из черной фольги (см. Таблицу материалов), которая отлично работает с камерой (рисунок 5А). Фольга рекомендуется, потому что ее можно легко заменить для тестирования других веществ, но подобные продукты можно использовать при желании. - После покрытия платформы алюминиевой фольгой поместите выбранный пользователем тип частиц, выбранный пользователем для тестирования, на наклонную сторону платформы (см. Таблицу материалов для вариантов типа частиц или см. Рисунок 6А).
- Осторожно вставьте консольные рычаги в круглый держатель так, чтобы магнитная сторона была обращена наружу. Затем аккуратно вставьте пробирку в тот же держатель. Если это было сделано правильно, магнит будет почти касаться стекла (рисунок 5B).
- Поместите пробирку на держатели пробирок так, чтобы платформа была центрирована над электромагнитом. Если магнит был соответствующим образом прикреплен к консольной платформе, консоль должна казаться находящейся в положении вверх, отталкиваемом электромагнитом.
- Поместите камеру в держатель камеры, чтобы запечатлеть любые ловушки, которые возникают над / вокруг платформы. Затем перепроверьте все остальные позиционирования (рисунок 1I-J).
6. Начало теста
ПРИМЕЧАНИЕ: Для тестирования необходимо выполнить либо шаг 6.1, либо шаг 6.2.
- Если вы используете инструкции из шага 4.1, нажмите start в файле или запустите файл нормально из терминала.
- Если вы используете инструкции из шага 4.2, запустите этот тест с терминала с параметрами, указанными ниже.
- Используя терминальные команды, запустите файловую систему один раз в соответствующем каталоге с помощью команды «python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter». Файл main.py приведен в дополнительном файле 8.
- Замените test_num требуемым количеством тестов. Замените Parameter_type типом параметра, на который ориентирован тест.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, если бы проводились испытания, чтобы определить, какой лазер с питанием является лучшим, Parameter_type был бы заменен laser_power, а exact_parameter был бы заменен оптической выходной мощностью текущего лазера.
Representative Results
Основным результатом, достигаемым при следовании вышеуказанному протоколу, является создание миниатюрной фотофоретической ловушки, которая может быстро тестировать различные параметры. До сих пор эти установки использовались для проверки двух критических параметров, мощности лазера и типа частиц. Параллельный запуск нескольких миниатюрных установок позволил исследователям собирать данные с гораздо большими размерами выборки за гораздо более быстрый период времени.
Первым испытанием, проведенным при разработке вышеуказанного протокола, был тест на мощность лазера. Во время этого испытания была использована одна миниатюрная установка без системы обнаружения камеры, поскольку она еще не была разработана; вместо этого был использован шаг 4.1 из протокола. Для этого требовалось присутствие исследователя для сбора данных обо всех обнаружениях ловушек. Цель этого теста состояла в том, чтобы определить идеальную выходную мощность лазера для захвата. Разместив оптический аттенюатор (фильтр переменной нейтральной плотности) между лазером и линзой на установке, оптическая мощность лазера была изменена. На рисунке 7 показаны результаты этого эксперимента. Высокая выходная оптическая мощность соответствовала более высокой скорости улавливания. Лазер на полной мощности имел самую высокую зарегистрированную скорость улавливания для этого теста. Однако это испытание было ограничено одним лазером с максимальной оптической мощностью ~120 мВт.
Второй тест заключался в том, чтобы определить, какой материал или вещество будет иметь наибольшую скорость улавливания. Этот тест проводился с использованием единственного миниатюрного испытательного стенда без системы обнаружения камеры. Десять различных частиц были протестированы с размером выборки 100 попыток для каждой частицы (все тестируемые вещества можно найти в Таблице материалов с их описаниями). Размер выборки был ограничен 100 из-за необходимости того, чтобы исследователь следил за каждой попыткой сбора данных. Все необходимые данные были собраны за два рабочих дня. На рисунке 6А показаны результаты испытания типа частиц. Из 10 протестированных типов материалов/частиц было обнаружено, что алмазные наночастицы (55-75%) и тонер принтера были двумя лучшими типами частиц с показателями 14% и 10% соответственно (таблица 1).
После первых двух тестов исследователи чувствовали себя ограниченными одной установкой, которая требовала активного наблюдения во время тестирования; это привело к шагу 4.2, изложенному в протоколе. Эта опция включает в себя систему обнаружения камеры, которая позволяет пользователям запускать несколько миниатюрных испытательных стендов одновременно и не требует присутствия пользователя для тестирования.
Для тестирования этой новой системы камер было проведено модифицированное повторное испытание типа частиц. Только несколько различных типов частиц были выбраны из 10, которые первоначально использовались для повторного испытания для этого нового испытания типа частиц. Отобранные частицы прошли новый раунд испытаний. Используя «ферму» испытательного стенда из четырех миниатюрных испытательных установок, каждая из выбранных частиц имела общий размер тестовой выборки 4000 попыток. В очередной раз все необходимые данные были собраны за два полных рабочих дня (табл. 2). Основной целью повторного тестирования этого типа частиц было тестирование новой системы камер. Этот тест позволил сравнить результаты первоначального теста типа частиц, когда исследователь сообщил о ловушках, с результатами системы обнаружения камеры. Результаты испытаний немного отличались от первоначальных тестов, но все же были сопоставимы (рисунок 6B). Лучший тип частиц из первоначального теста, алмазные наночастицы 55-75%, по-прежнему был лучшим в повторном испытании, но имел немного более низкую скорость улавливания, чем раньше. Разница в результатах, скорее всего, связана с большим размером выборки и несовершенной системой обнаружения камеры. Хотя результаты этого теста на частицы немного отличались от ожидаемых, при тестировании других параметров, где материал остается постоянным, таких как мощность лазера или фокусное расстояние объектива, результаты, собранные сценарием камеры, будут надежными.
Результаты всех трех проведенных испытаний относятся к буровым установкам, на которых они были выполнены, но тенденции, обнаруженные в данных, окажутся верными при тестировании на других более точных фотофоретических испытательных стендах. Миниатюрные испытательные стенды не предназначены для полной замены других испытательных стендов. Тем не менее, они предназначены для того, чтобы позволить исследователям быстро и эффективно исследовать все параметры и возможности в эдисоновском (методом проб и ошибок) тестировании, чтобы найти тенденции и открытия для дальнейших исследований более точных буровых установок.
Рисунок 1: Прогрессия установки с завершенной миниатюрной фотофоретической испытательной установкой. Рисунок соответствует шагу 2 и его подшагам. (A) Показывает шаг 2.1. (B) Демонстрирует шаг 2.2, основание с двумя длинными сторонами. (C) Показывает шаг 2.2, раму буровой установки, основание с обеих сторон, а также первый держатель лазера и держатель пробирки. (D) На этапе 2.3 показан держатель камеры в сочетании с обоими держателями электромагнитов. (E) Этап 2.3.1 предлагает комбинацию рисунков 1C,D. (F) Этап 2.4, второй держатель пробирки и второй держатель лазера были добавлены. (G) Были добавлены дополнительный световой экран и оптический рельс. (H) Электромагнит помещается в его держатель. (I) Лазер и пробирка были помещены в их держатели. (J) Это показывает весь завершенный тест без источника питания для платы микроконтроллера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: 3D-печатные фрагменты. На этом рисунке изображены держатель объектива, держатель круглой платформы и консольная платформа. Дизайн держателя объектива для 3D-печати можно найти в дополнительном файле 1. Этот держатель объектива при печати предназначен для объектива диаметром 30 мм. Дополнительный файл 2-3 содержит конструкции держателя платформы и платформы. Держатель платформы имеет четыре комплекта, которые платформа может использовать, но для того, чтобы установка работала так, как задумано, платформа должна использовать отверстия, указанные на рисунке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Маркированные кусочки лазерной резки. На этом рисунке помечены части дополнительного файла 4, который содержит файл для всех частей лазерной резки, за исключением дополнительного светового щита. После печати должно быть 1 основание, 2 стороны, 2 держателя лазера, 2 держателя пробирки, 2 держателя электромагнита и 2 держателя камеры (необходим только один). Дополнительный световой экран можно найти в дополнительном файле 5. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Регулятор напряжения и электромагнитная схема. (А) Для справки, при построении схемы. Регулятор напряжения имеет 3 контакта, регулировку, вход и выход. (B) На этом рисунке показана завершенная схема, описанная на этапе 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Подготовка платформы и ловушка в пробирке. (A) Прежде чем можно будет провести тестирование, платформа должна быть подготовлена. Резервуар частиц, где лазер будет светить, чтобы улавливать частицы, будет размещен на платформе непосредственно перед тестированием. Черная алюминиевая фольга должна быть размещена на платформе перед частицами. Это предотвращает плавление лазера через платформу. (B) В ходе испытаний происходит фактическое улавливание частиц в пробирке, что обеспечивает последовательное автоматическое движение платформы при каждой попытке ловушки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Испытание типа частиц (ручное) и (камера). (A) Было проведено испытание 10 различных частиц для нахождения частицы с наилучшей скоростью улавливания. (B) Второе испытание типа частиц было проведено с помощью системы обнаружения камеры. Только 4 из первоначальных 10 частиц были протестированы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Результаты испытаний мощности лазера. Скорость улавливания для различных уровней мощности лазера была измерена во время испытания мощности лазера. Более высокие силы производили более высокие темпы отлова. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Черный ликер (порошок) | Черный ликер (паста) | Вольфрам (12 мкм) | Вольфрам (1-5 мкм) | Алюминиевый порошок | Тонер принтера | Графит | Наночастицы алмаза (95%) | Наночастицы алмаза (55-75%) | Нигросин | ||
| 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% | ||
Таблица 1: Результаты испытания типа частиц, которые будут иметь наилучшую скорость улавливания. Общий размер выборки 100 попыток был выполнен в 4 наборах по 25 для каждого материала.
| Черная ликерная паста | Наночастицы алмаза 55-75% | Графит | Вольфрам (12 мкм) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Таблица 2: Результаты испытания типа частиц, проведенного с помощью системы обнаружения камеры. Данные, собранные из базы данных SQLite. Данные были первоначально собраны в 4 набора по 1000 для размера выборки 4000 на материал. Отдельные записи для каждого набора не были составлены из SQLite; были составлены только общие процентные показатели.
Дополнительный файл 1: File_1-Lens Holder.stl. Он содержит файл 3D-печати для держателя объектива (см. рисунок 2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: File_2-Platform.stl. Он содержит файл 3D-печати для консольной платформы (см. рисунок 2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: File_3-Platform Holder.stl. Он содержит файл 3D-печати для держателя платформы (см. рисунок 2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: File_4-Rig Pieces.odg. Он содержит файл лазерной резки для деталей буровой установки (см. Рисунок 1 и Рисунок 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 5: File_5-Light Shield.odg. Он содержит файл лазерной резки для дополнительного светового щита/блокиратора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 6: File_6-Opt1.system.py. Он содержит весь код для использования инструкции из шага 4.1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. Он содержит файл readme с некоторыми подробностями для дополнительных файлов 8-11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 8: File_8-Opt2.main.py. Он содержит основной скрипт для инструкций, найденных в шаге 4.2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. Он содержит сценарий для шага 4.2, который управляет электромагнитом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 10: File_10-Opt2.test_insert.py. Он содержит сценарий для шага 4.2, который автоматически загружает данные в базу данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. Он содержит скрипт, который необходимо загрузить на камеру на шаге 4.2.2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
Настоящий протокол содержит несколько важных шагов, которые имеют решающее значение для автоматического запуска устройства треппинга. Во-первых, электромагнит должен быть соответствующим образом прикреплен к плате микроконтроллера через указанную схему. Без электромагнита теряется общая полезность миниатюрной испытательной установки. Электромагнит контролирует каждую попытку улавливания, поднимая резервуар частиц на консольной платформе вверх по траектории лазера. Каждая попытка ловушки — это еще один цикл подъема и опускания платформы.
Камера используется только на шаге 4.2, как описано в протоколе, но она имеет решающее значение для этого варианта. Шаг 4.2 требует, чтобы камера определяла, была ли частица захвачена, что позволяет собирать данные с нескольких установок. Если камера подключена неправильно, установка не сможет попытаться захватить.
Третьим и наиболее важным шагом, шагом 5.2.1, является выравнивание и фокусировка лазера. Линза должна быть размещена так, чтобы фокусная точка находилась над электромагнитом. Консольная платформа будет проходить через фокусную точку над электромагнитом, позволяя частицам задерживаться. Предположим, что фокусная точка не центрирована над серединой электромагнита. В этом случае становится сложно гарантировать, что консольная платформа, несущая частицы, пройдет через фокусную точку для создания ловушек. Это может привести к отсутствию ловушек. Также важно, чтобы платформа была поднята над электромагнитом, чтобы лазерный путь не постоянно контактировал с платформой. Это может привести к тому, что камера сообщит о ложных срабатываниях. Для более легкой регулировки местоположения фокусной точки рекомендуется использовать оптический рельс при настройке установки; это позволит пользователям легко перемещать держатель объектива назад или вперед, чтобы правильно расположить фокусную точку. Лазерная и пробирочная/консольная части уже выровнены, если установка была построена надлежащим образом; использование оптической рейки позволит сохранить линзу выровненной с другими частями.
Два отдельных варианта подробно описаны в Протоколе, шаг 4.1 и шаг 4.2. Первый вариант, шаг 4.1, является оригинальным простым способом запуска миниатюрной резьбовой установки. Этот вариант полагается на человеческий глаз для обнаружения частиц вместо системы камер. Этот вариант лучше всего подходит для быстрого сбора небольших наборов данных или в ситуациях, когда требуется живая демонстрация. Первый вариант использовался во время первых двух экспериментов, прежде чем был создан второй вариант. Второй вариант, шаг 4.2, использует камеру для автоматического обнаружения и захвата, что позволяет запускать тысячи тестов и вносить их в базу данных без какого-либо наблюдения со стороны человека. Точность камеры зависит от точных условий тестирования; некоторые более отражающие материалы при тестировании, по-видимому, имели менее точную скорость улавливания по сравнению с аналогичными тестами, проводимыми при обнаружении человеком. Тем не менее, некоторые параметры в сценарии камеры могут быть изменены для повышения точности камеры. Точная точность камеры - это то, что можно улучшить, но это также не является существенной проблемой, потому что миниатюрные установки предназначены для первоначальных испытаний. Второй вариант также может быть легко модифицирован для запуска двух испытательных стендов с одной платы микроконтроллера; сведения об этом изменении включены в Дополнительный файл 7.
Текущая работа заключается в разработке более точной и последовательной формы автоматического обнаружения ловушек с помощью машинного обучения. Эта новая система обнаружения машинного обучения, когда она будет завершена, будет использовать сверточные нейронные сети для лучшего обнаружения захваченных частиц с гораздо более высокой точностью (выше 95%), что еще больше укрепит использование и влияние таких миниатюрных испытательных установок на будущее исследований фотофоретических ловушек.
В своей нынешней базовой форме миниатюрная ловушка ограничена несколькими способами. Эти миниатюрные установки не могут создавать реальные OTD, сканируя частицу после того, как произошла ловушка. Конструкция также ограничивает возможность добавления сканеров для будущего использования при создании OTD. Другим ограничением конструкции является необходимость в дополнительных компонентах для конкретного теста. Например, переменный оптический аттенюатор использовался для сбора наборов данных при различных уровнях оптической выходной мощности во время испытания мощности лазера. Точно так же, если бы исследователь захотел проверить длину волны лазера в будущем тесте, им потребовалось бы несколько других лазеров сопоставимой оптической мощности с различными длинами волн в дополнение к лазеру, используемому в этой работе. Установка, скорее всего, потребует дополнительных модификаций для удержания каждого лазера, этот процесс ограничит скорость, с которой такое испытание может быть проведено, но это все равно будет возможно. Этот дизайн также определяется необходимостью 3D-печати нового держателя объектива для каждого объектива. Конструкция и применение также ограничены сферическими двояковыпуклыми линзами, которые производят сферическую аберрацию для формирования областей, где может произойти захват.
В будущем будущие приложения включают в себя продолжение тестирования и оптимизацию параметров фотофоретического улавливания. Как кратко упоминалось выше, миниатюрная ловушка может быть легко модифицирована в базовую недорогую систему OTD путем добавления сканеров для управления осью Y и осью X. Управляемая электромагнитом доставка частиц, используемая в миниатюрной улавливающей установке, также может быть реализована в будущих передовых системах OTD.
Миниатюрная ловушка в конечном итоге уникальна и отлична в этой области исследований, потому что она может быть недорого и быстро изготовлена, что позволяет проводить быстрые массовые испытания. Эти установки предназначены для бережливых систем, предназначенных для первоначального тестирования и оптимизации параметров фотофоретического улавливания. Отдельная установка может тестировать со скоростью ~ 250 попыток в час. Многие другие типы фотофоретических систем улавливания или установок были разработаны, чтобы иметь лучшие автоматические системы или достигать большего путем сканирования частицы для создания изображения после успешной ловушки1,8. Эти миниатюрные системы улавливания не предназначены для замены использования таких систем. Они предназначены для быстрого тестирования параметров и условий фотофоретической ловушки, чтобы дать исследователям лучшее понимание того, что делает фотофоретическую ловушку хорошей. Миниатюрная ловушка демократизирует исследования фотофоретических ловушек и позволит провести новую волну эдисоновских экспериментов и прогресса в этой области исследований.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы с благодарностью отмечают финансовую поддержку со стороны Национального научного фонда. Награда NSF 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).
