Detta arbete beskriver och karakteriserar tillverkningen av miniatyr automatiska fotoforetiska svällningsriggar.
Detta dokument presenterar en automatiserad, snabb-fab-kompatibel, fotoforetisk trap testrigg för att möjliggöra demokratisering och crowdsourcing av volymetrisk displayforskning. Riggen kan konstrueras inom 2 timmar med hjälp av en laserskärare, 3-dimensionell (3D) skrivare och vanliga handverktyg. I sin nuvarande form kan riggen användas för att testa följande kritiska parametrar: partikeltyp, svällningstyp, numerisk bländare och luftflöde med en hastighet av cirka 250 prover per timme. Med mindre modifiering kan riggen göras för att testa en ännu större uppsättning parametrar, såsom lasereffekt och laservåglängd, beroende på användarens behov. Riggen kan använda maskinseende för automatiserad datainsamling och analys. Testriggens drift och konstruktion beskrivs med kortfattade, enkla steg. Resultat från en testrigg med fyra enheter som täcker effekt- och partikeltypparametrarna rapporteras. Denna plattform kommer att bredda omfattningen och sammansättningen av optiska trap display parametrar och forskare genom tillgänglighet och demokratisering.
Den optiska svällningsdisplayen (OTD) möjliggör de visningsgeometrier som ses i science fiction. Den fungerar genom att fånga en partikel genom fotoferes och belysa partikeln1,2,3,4. Att sedan dra den partikeln genom rymden bildar en bild i luften som betraktaren uppfattar som kontinuerlig per persistens av vision5. Med den här skärmlösa 3D-tekniken kan den visa geometrier som långkastprojektioner, höga sandbord och omslutningsskärmar1. Dessa geometrier är unikt övertygande eftersom de inte kräver någon skärm och skapar innehåll som kan ses från praktiskt taget alla vinklar.
Forskare vid Brigham Young University fann initial framgång i sitt första generationens fotoforetiska fångstsystem genom att använda en strål expander och galvanometerskannrar, tillsammans med flera speglar och en eller flera sfäriska linser för att skapa en fotoforetisk fälla genom sfärisk avvikelse1,4. Denna första generationens svällningsrigg innehöll också RGB-lasrar (rödgrön-blå) för att möjliggöra exakt färgad displaybelysning. Med hjälp av detta svällningssystem skapas OTDs genom att flytta en enda partikel genom en invecklad väg. Den här metoden begränsar storleken på bilder till under en kubikcentimeter och begränsar komplexiteten hos realtidsbilder till trådramar och annat gles innehåll6,7. Dessutom begränsas skalningen av denna teknik av inkonsekvensen hos fotoforetisk fångst8. Om ett enda svällnings-/partikelsystem kan optimeras kan skalning av displayen uppnås genom att replikera en optimerad fälla och synkront fånga och skanna flera partiklar9. Eventuella problem med en enda fälla kommer att förvärras i ett multi-trap-system, så noggrann optimering av fälla och partikelparametrar är avgörande.
Optimeringen av ett individuellt svällningssystem kräver omfattande tester för varje parameter i det fotoforetiska svällningssystemet7. Sådana parametrar inkluderar partikeltyp (substans, form, storlek), lasereffekt, laservåglängd och numerisk bländare (brännvidd, diameter, lutning). Testning och experiment genom försök och fel för varje parameter optimerar enskilda fällor och flera synkrona fällor. Ändå kommer de att kräva att stora mängder data samlas in.
Tidigare har forsknings- och testprocessen för att optimera fotoforetisk fångst genom sfärisk avvikelse endast gjorts av en handfull forskare över hela världen1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Fram till nyligen har forskare vid Brigham Young University förlitat sig på ett enda, stort, dyrt fångstsystem för att samla in de data som behövs, vilket gjorde att processen med att testa och samla in data var långsam1,7. Men sedan vi införde optiska svällningsdisplayer som en lösning för 3D-visualisering 20181 har individer i alla åldersgrupper och från flera kontinenter uttryckt en önskan att delta i forskningen. På grund av det genererade intresset för OTDs har forskare velat hitta ett sätt att låta alla berörda parter delta i forskningsprocessen. Tidigare generationer av fotoforetiska fångstriggar, som innehöll balkdelare och galvanometrar, var för dyra och tidskrävande för massproducera och crowdsource1,6, så en annan lösning behövdes.
En ny miniatyr fotoforetisk svällningsrigg har utvecklats, vilket gör det möjligt för alla berörda parter att delta i forskning och snabbt testa och samla in data för alla viktiga parametrar som nämns ovan. De kan tillverkas snabbt av alla som har tillgång till en 3D-skrivare och laserskärare. Den här designen försöker minimera kostnader och komplexitet, minska risken och maximera automatisering, sammanlänkning och flexibilitet (bild 1). Den nya riggen använder den enklaste optiska installationen för fotoforetisk svällning som möjligt: en enda laser och lins10. De små riggarna är enkla att använda när de har konfigurerats och kan testa med en hastighet av cirka 250 försök per timme.
De data som samlas in från dessa riggar från tester av framtida medborgarforskare och forskare kommer avsevärt att bidra till att utveckla fotoforetisk fångst i dess användning för 3D-visualisering genom att möjliggöra optimering av svällningsparametrar och enskilda fällor.
Det nuvarande protokollet innehåller flera viktiga steg som är avgörande för den automatiska körningen av svällningsriggen. För det första måste elektromagneten fästas på lämpligt sätt på mikrokontrollerkortet genom den angivna kretsen. Utan elektromagneten går miniatyrtestriggens totala användbarhet förlorad. Elektromagneten styr varje fångstförsök genom att höja partikelbehållaren på cantileverplattformen upp i laserns väg. Varje trap-försök är en annan cykel för att höja och sänka plattformen.
Kameran används endast i steg 4.2 enligt beskrivningen i protokollet, men det är viktigt för det alternativet. Steg 4.2 kräver att en kamera upptäcker om en partikel har fastnat, vilket möjliggör datainsamling från flera riggar. Om kameran inte är korrekt ansluten kan riggen inte försöka fånga.
Det tredje och mest kritiska steget, steg 5.2.1, är att justera och fokusera lasern. Linsen måste placeras så att brännpunkten uppstår över elektromagneten. Den kantilevererade plattformen kommer att passera genom brännpunkten över elektromagneten, vilket gör att partiklar kan fångas. Anta att brännpunkten inte är centrerad ovanför elektromagnetens mitt. I så fall blir det utmanande att se till att cantileverplattformen som bär partiklar kommer att passera genom brännpunkten för att skapa fällor. Detta kan leda till brist på fällor. Det är också viktigt att plattformen är upphöjd över elektromagneten så att laserbanan inte ständigt kontaktar plattformen. Detta kan leda till att kameran rapporterar falska positiva identifieringar. För att lättare justera brännpunktens placering föreslås att man använder en optisk skena i installationen av riggen. Detta gör det möjligt för användare att enkelt skjuta linshållaren bakåt eller framåt för att placera brännpunkten ordentligt. Laser- och provrörs-/cantileverdelen är redan i linje om riggen har byggts på lämpligt sätt. Användningen av den optiska skenan håller objektivet i linje med de andra delarna.
Två separata alternativ beskrivs i protokollet, steg 4.1 och steg 4.2. Det första alternativet, steg 4.1, är det ursprungliga enkla sättet att köra miniatyrgängigriggen. Det här alternativet förlitar sig på det mänskliga ögat för att upptäcka partiklar istället för ett kamerasystem. Det här alternativet är bäst för att samla in mindre uppsättningar data snabbt eller i situationer där en live-demonstration önskas. Det första alternativet användes under de två första experimenten innan det andra alternativet skapades. Det andra alternativet, steg 4.2, använder en kamera för automatisk detektering och svällning, vilket gör att tusentals tester kan köras och matas in i en databas utan mänsklig övervakning. Kamerans noggrannhet beror på det exakta testförhållandet; Vissa mer reflekterande material, när de testades, tycktes ha en mindre exakt fångsthastighet jämfört med liknande tester som gjorts med mänsklig upptäckt. Flera parametrar i kameraskriptet kan dock ändras för att öka kamerans noggrannhet. Kamerans exakta noggrannhet är något som kan förbättras, men det är inte heller ett betydande problem eftersom miniatyrriggarna är avsedda för inledande testning. Det andra alternativet kan också enkelt ändras för att köra två testriggar från ett enda mikrokontrollerkort; Närmare uppgifter om ändringen finns i kompletterande akt 7.
Det nuvarande arbetet utvecklar en mer exakt och konsekvent form av automatisk trapdetektering genom maskininlärning. Detta nya maskininlärningsdetekteringssystem, när det är klart, kommer att använda convolutional neurala nätverk för att bättre upptäcka fångade partiklar med en mycket högre noggrannhet (över 95%), vilket ytterligare stärker användningen och effekten som miniatyrtestriggar kan ha på framtiden för fotoforetisk trap displayforskning.
I sin nuvarande basform är miniatyrfångstriggen begränsad på några sätt. Dessa miniatyrriggar kan inte skapa faktiska OTD:n genom att skanna partikeln efter att en fälla har inträffat. Designen begränsar också möjligheten att skannrar läggs till för framtida användning för att skapa OTDs. En annan begränsning av designen är behovet av ytterligare komponenter för att ett specifikt test ska inträffa. Till exempel användes ett variabelt optiskt dämpare för att samla in datamängderna vid olika optiska uteffektnivåer under lasereffekttestet. På samma sätt, om en forskare ville testa laservåglängd i ett framtida test, skulle de kräva flera andra lasrar med jämförbar optisk kraft med olika våglängder utöver den laser som används i detta arbete. Riggen skulle sannolikt kräva ytterligare modifieringar för att hålla varje laser, denna process skulle begränsa hastigheten med vilken ett sådant test kunde utföras, men det skulle fortfarande vara möjligt. Denna design bestäms också av behovet av att 3D-skriva ut en ny linshållare för varje lins. Designen och applikationen är också begränsad till sfäriska bikonvexlinser, som producerar sfärisk avvikelse till att bilda regioner där fångst kan uppstå.
Framöver inkluderar framtida applikationer fortsatt testning och optimering av fotoforetiska svällningsparametrar. Som kort nämnts ovan kan miniatyrfångstriggen enkelt modifieras till ett grundläggande billigt OTD-system genom att lägga till skannrar för y-axeln och x-axelkontrollen. Den elektromagnetstyrda partikeltillförseln som används i miniatyrfångstriggen skulle också kunna implementeras i framtida avancerade OTD-system.
Miniatyrfångstriggen är i slutändan unik och distinkt inom detta forskningsområde eftersom den kan tillverkas billigt och snabbt, vilket möjliggör snabb masstestning. Dessa riggar är avsedda att vara magra system utformade för inledande testning och optimering av fotoforetiska svällningsparametrar. En enskild rigg kan testa med en hastighet av ~250 försök per timme. Många andra typer av fotoforetiska fångstsystem eller riggar har utvecklats för att ha bättre automatiska system eller åstadkomma mer genom att skanna partikeln för att skapa en bild efter en lyckad fälla1,8. Dessa miniatyrfångstsystem är inte avsedda att ersätta användningen av sådana system. De är avsedda att snabbt testa parametrar och förhållanden för fotoforetisk fångst för att ge forskare en bättre förståelse för vad som ger bra fotoforetisk fångst. Miniatyrfångstriggen kommer att demokratisera fotoforetisk trapforskning och möjliggöra en ny våg av edisonska experiment och framsteg inom detta forskningsområde.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner tacksamt ekonomiskt stöd från National Science Foundation. NSF utmärkelse ID-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 |