ייצור ובדיקה של אסדות השמנה פוטופורטיות אוטומטיות זעירות
Summary
עבודה זו מתארת ומאפיינת את הייצור של אסדות לכידה פוטופורטיות אוטומטיות זעירות.
Abstract
מאמר זה מציג אסדת בדיקת מלכודת פוטופורטית אוטומטית, תואמת-fab-fab, המאפשרת דמוקרטיזציה ומיקור המונים של מחקר תצוגה נפחית. ניתן לבנות את האסדה בתוך 2 שעות באמצעות חותך לייזר, מדפסת תלת מימדית (3D) וכלי יד נפוצים. בצורתו הנוכחית, ניתן להשתמש באסדה כדי לבדוק את הפרמטרים הקריטיים הבאים: סוג חלקיקים, סוג מלכודת, צמצם מספרי וזרימת אוויר בקצב של כ -250 דגימות לשעה. עם שינוי מינורי, ניתן לבצע את האסדה כדי לבדוק קבוצה גדולה עוד יותר של פרמטרים, כגון כוח לייזר ואורך גל לייזר, בהתאם לצרכי המשתמש. האסדה יכולה להשתמש בראיית מכונה ללכידה וניתוח אוטומטיים של נתונים. הפעולה והבנייה של אסדת הבדיקה מתוארים בצעדים תמציתיים וקלים למעקב. תוצאות של אסדת בדיקה ארבע יחידות ‘חווה’ המכסה את פרמטרים סוג כוח וחלקיקים מדווחים. פלטפורמה זו תרחיב את ההיקף וההרכב של פרמטרים וחוקרים של תצוגת מלכודת אופטית באמצעות נגישות ודמוקרטיזציה.
Introduction
תצוגת המלכודת האופטית (OTD) מאפשרת את גיאומטריות התצוגה הנראות במדע בדיוני. הוא פועל על ידי לכידת חלקיק באמצעות פוטופרזיס והארת החלקיק 1,2,3,4. לאחר מכן, גרירת החלקיק דרך החלל יוצרת תמונה באוויר שהצופה תופס כמתמשכת לפי ההתמדה של Vision5. טכנולוגיית תלת-ממד נטולת מסך זו מאפשרת לו להציג גיאומטריות כגון הקרנות לטווח ארוך, שולחנות חול גבוהים וצגים עוטפים1. גיאומטריות אלה משכנעות באופן ייחודי מכיוון שהן אינן דורשות מסך ויוצרות תוכן שניתן לראות כמעט מכל זווית אפשרית.
חוקרים מאוניברסיטת בריגהם יאנג מצאו הצלחה ראשונית במערכת הלכידה הפוטוטופורטית מהדור הראשון שלהם באמצעות מרחיב קרן וסורקי גלוונומטר, יחד עם מספר מראות ועדשות כדוריות אחת או יותר כדי ליצור מלכודת פוטופורטית באמצעות סטייה כדורית 1,4. אסדת השמנה מהדור הראשון הכילה גם לייזרי RGB (אדום-ירוק-כחול) כדי לאפשר תאורת תצוגה צבעונית מדויקת. באמצעות מערכת השמנה זו, OTDs נוצרים על ידי הזזת חלקיק יחיד דרך נתיב מפותל. גישה זו מגבילה את גודל התמונות אל מתחת לסנטימטר מעוקב ומגבילה את המורכבות של תמונות בזמן אמת למסגרות תיל ולתוכן דליל אחר6,7. יתר על כן, קנה המידה של טכנולוגיה זו מוגבל על ידי חוסר עקביות של השמנה פוטופורטית8. אם ניתן למטב מערכת השמנה/חלקיקים אחת, ניתן להשיג שינוי קנה מידה של התצוגה על-ידי שכפול מלכודת ממוטבת ולכידה וסריקה של חלקיקים מרובים באופן סינכרוני9. כל בעיה עם מלכודת אחת תהיה מורכבת במערכת מרובת השמנות, כך אופטימיזציה זהירה של פרמטרי מלכודת וחלקיקים היא קריטית.
האופטימיזציה של מערכת השמנה /השמנה בודדת דורשת בדיקה מקיפה כדי להיעשות עבור כל פרמטר של מערכת השמנה פוטופורטית7. פרמטרים אלה כוללים סוג חלקיקים (חומר, צורה, גודל), כוח לייזר, אורך גל לייזר, וצמצם מספרי (אורך מוקד, קוטר, הטיה). בדיקה וניסויים באמצעות ניסוי וטעייה עבור כל פרמטר ימטבו השמנות בודדות ומלכודות סינכרוניות מרובות. עם זאת, הם ידרשו איסוף כמויות גדולות של נתונים.
בעבר, תהליך המחקר והבדיקה לאופטימיזציה של לכידה פוטופורטית באמצעות סטייה כדורית נעשה רק על ידי קומץ חוקרים ברחבי העולם 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . עד לאחרונה, חוקרים מאוניברסיטת בריגהם יאנג הסתמכו על מערכת השמנה אחת, גדולה ויקרה כדי לאסוף את הנתונים הדרושים, מה שגרם לתהליך הבדיקה והאיסוף של נתונים להיות איטי 1,7. עם זאת, מאז הצגת מלכודת אופטית מציגה כפתרון להדמיה תלת-ממדית בשנת 20181, אנשים מכל קבוצות הגיל ומכמה יבשות הביעו רצון להשתתף במחקר. בגלל העניין שנוצר ב- OTDs, החוקרים רצו למצוא דרך לאפשר לכל בעלי העניין להשתתף בתהליך המחקר. דורות קודמים של אסדות לכידה פוטופורטיות, שהכילו מפצלי קורות וגלבנומטרים, היו יקרים מדי וגוזלים זמן רב מדי לתוצרת המונית ולמיקור המונים 1,6, כך שהיה צורך בפתרון אחר.
פותחה אסדת השמנה פוטופורטית זעירה חדשה, המאפשרת לכל בעלי העניין להשתתף במחקר ולבדוק במהירות ולאסוף נתונים עבור כל הפרמטרים המשמעותיים שהוזכרו לעיל. הם יכולים להיות מפוברקים במהירות על ידי כל מי שיש לו גישה למדפסת 3D וחותך לייזר. עיצוב זה מנסה למזער את העלות והמורכבות, לצמצם סיכונים ולמקסם אוטומציה, קישוריות הדדית וגמישות (איור 1). האסדה החדשה משתמשת במערך האופטי הפשוט ביותר ללכידה פוטופורטית אפשרית: לייזר ועדשה אחת10. האסדות הקטנות פשוטות לשימוש לאחר ההתקנה ויכולות להיבדק בקצב של כ -250 ניסיונות לשעה.
הנתונים שנאספו מאסדות אלה מהבדיקות של מדענים וחוקרים אזרחיים עתידיים יסייעו באופן משמעותי לפתח לכידה פוטופורטית בשימוש בהדמיה תלת-ממדית על ידי מתן אפשרות לאופטימיזציה של פרמטרי השמנה ומלכודות בודדות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנוכחי מכיל מספר שלבים חיוניים החיוניים להפעלה האוטומטית של אסדת ההשמנה. ראשית, האלקטרומגנט חייב להיות מחובר כראוי ללוח המיקרו-בקר דרך המעגל שצוין. ללא האלקטרומגנט, התועלת הכוללת של אסדת הבדיקה הזעירה הולכת לאיבוד. האלקטרומגנט שולט בכל ניסיון לכידה על ידי העלאת מאגר החלקיקים על פלטפורמת הקניבל עד לנתיב הלייזר. כל ניסיון מלכודת הוא מחזור נוסף של העלאה והורדה של הפלטפורמה.
המצלמה משמשת רק בשלב 4.2 כמתואר בפרוטוקול, אך היא קריטית לאפשרות זו. שלב 4.2 דורש מצלמה כדי לזהות אם חלקיק נלכד, ומאפשר איסוף נתונים מ אסדות מרובות. אם המצלמה אינה מחוברת כראוי, האסדה לא תוכל לנסות כל השמנה.
השלב השלישי והביקורתי ביותר, שלב 5.2.1, הוא יישור ומיקוד הלייזר. יש למקם את העדשה כך שנקודת המוקד תתרחש מעל האלקטרומגנט. הפלטפורמה המנומרת תעבור דרך נקודת המוקד מעל האלקטרומגנט, ותאפשר לחלקיקים ללכוד. נניח שנקודת המוקד אינה ממורכזת מעל אמצע האלקטרומגנט. במקרה זה, זה הופך להיות מאתגר כדי להבטיח כי פלטפורמת cantilever נושאת חלקיקים יעבור דרך המוקד כדי ליצור מלכודות. זה יכול להוביל למחסור במלכודות. זה גם חיוני כי הפלטפורמה היא מוגבהת מעל electromagnet, כך נתיב הלייזר אינו כל הזמן יצירת קשר עם הפלטפורמה. הדבר עלול לגרום למצלמה לדווח על תוצאות חיוביות שגויות. כדי להתאים ביתר קלות את מיקום המוקד, מומלץ להשתמש במסילה אופטית בהתקנת האסדה; זה יאפשר למשתמשים להחליק בקלות את מחזיק העדשה אחורה או קדימה כדי למקם את נקודת המוקד כראוי. הלייזר והמבחנה / חלק cantilever כבר מיושרים אם האסדה נבנתה כראוי; השימוש במסילה האופטית ישמור על העדשה מיושרת עם החלקים האחרים.
שתי אפשרויות נפרדות מפורטות בפרוטוקול, שלב 4.1 ושלב 4.2. האפשרות הראשונה, שלב 4.1, היא הדרך הפשוטה המקורית להפעיל את אסדת ההקשה הזעירה. אפשרות זו מסתמכת על העין האנושית כדי לזהות חלקיקים במקום מערכת מצלמה. אפשרות זו מומלצת לאיסוף ערכות נתונים קטנות יותר במהירות או במצבים שבהם רצויה הדגמה חיה. האפשרות הראשונה שימשה במהלך שני הניסויים הראשונים לפני יצירת האפשרות השנייה. האפשרות השנייה, שלב 4.2, משתמשת במצלמה לגילוי אוטומטי וללכידה, ומאפשרת לבצע אלפי בדיקות ולהוזן למסד נתונים ללא כל פיקוח אנושי. הדיוק של המצלמה תלוי במצב הבדיקה המדויק; חומרים רפלקטיביים מסוימים יותר, כאשר נבדקו, נראה שיש שיעור השמנה פחות מדויק בהשוואה לבדיקות דומות שנעשו עם זיהוי אנושי. עם זאת, ניתן לשנות מספר פרמטרים בקובץ ה- Script של המצלמה כדי להגביר את דיוק המצלמה. הדיוק המדויק של המצלמה הוא משהו שניתן לשפר, אבל זה גם לא דאגה משמעותית כי האסדות הזעירות נועדו לבדיקה ראשונית. האפשרות השנייה יכולה גם להשתנות בקלות כדי להפעיל שתי אסדות בדיקה מלוח מיקרו-בקר יחיד; פרטים עבור שינוי זה כלולים בקובץ משלים 7.
העבודה הנוכחית מפתחת צורה מדויקת ועקבית יותר של זיהוי מלכודות אוטומטי באמצעות למידת מכונה. מערכת חדשה זו לזיהוי למידת מכונה, כאשר תסיים, תשתמש ברשתות עצביות מפותלות כדי לזהות טוב יותר חלקיקים לכודים עם שיעור דיוק גבוה בהרבה (מעל 95%), מה שמחזק עוד יותר את השימוש וההשפעה של אסדות בדיקה מיניאטוריות כאלה יכולות להיות על עתיד מחקר תצוגת מלכודת פוטופורטית.
בצורת הבסיס הנוכחית שלה, אסדת ההשמנה הזעירה מוגבלת בכמה דרכים. אסדות מיניאטוריות אלה אינן מסוגלות ליצור OTDs בפועל על ידי סריקת החלקיק לאחר מלכודת התרחשה. העיצוב גם מגביל את האפשרות להוסיף סורקים לשימוש עתידי ביצירת OTDs. מגבלה נוספת של העיצוב היא הצורך ברכיבים נוספים לבדיקה ספציפית שתתרחש. לדוגמה, מנחת אופטי משתנה שימש לאיסוף ערכות הנתונים ברמות כוח פלט אופטיות שונות במהלך בדיקת כוח הלייזר. באופן דומה, אם חוקר רצה לבדוק אורך גל לייזר במבחן עתידי, הם ידרשו כמה לייזרים אחרים של כוח אופטי דומה עם אורכי גל שונים בנוסף לייזר המשמש בעבודה זו. האסדה ככל הנראה תדרוש שינויים נוספים כדי להחזיק כל לייזר, תהליך זה יגביל את המהירות שבה ניתן לבצע בדיקה כזו, אך זה עדיין יהיה אפשרי. עיצוב זה נקבע גם על ידי הצורך להדפיס בתלת-ממד מחזיק עדשה חדש עבור כל עדשה. העיצוב והיישום מוגבלים גם לעדשות biconvex כדוריות, המייצרות סטייה כדורית כדי ליצור אזורים שבהם השמנה יכולה להתרחש.
במבט קדימה, יישומים עתידיים כוללים בדיקה ואופטימיזציה מתמשכות של פרמטרי השמנה פוטופורטית. כפי שהוזכר בקצרה לעיל, ניתן בקלות לשנות את אסדת ההשמנה הזעירה למערכת OTD זולה בסיסית על ידי הוספת סורקים עבור ציר ה- y ובקרת ציר ה- x. אספקת החלקיקים הנשלטת על ידי אלקטרומגנט המשמשת באסדת הלכידה הזעירה יכולה להיות מיושמת גם במערכות OTD מתקדמות עתידיות.
אסדת הלכידה הזעירה היא בסופו של דבר ייחודית ומובחנת בתחום זה של מחקר מכיוון שניתן לפברק אותה בזול ובמהירות, ומאפשרת בדיקות המוניות מהירות. אסדות אלה אמורות להיות מערכות רזה המיועדות לבדיקה ראשונית ואופטימיזציה של פרמטרי השמנה פוטופורטית. אסדה בודדת יכולה לבדוק בקצב של ~ 250 ניסיונות לשעה. סוגים רבים אחרים של מערכות השמנה פוטופורטיות או אסדות פותחו כדי לקבל מערכות אוטומטיות טובות יותר או להשיג יותר על ידי סריקת החלקיק כדי ליצור תמונה לאחר מלכודת מוצלחת 1,8. מערכות השמנה זעירות אלה אינן מיועדות להחליף את השימוש במערכות כאלה. הם נועדו לבדוק במהירות פרמטרים ותנאים של השמנה פוטופורטית כדי לתת לחוקרים הבנה טובה יותר של מה שעושה עבור השמנה פוטופורטית טובה. אסדת הלכידה הזעירה תהפוך את מחקר המלכודות הפוטופורטיות לדמוקרטי ויאפשר גל חדש של ניסויים והתקדמות אדיסוניים בתחום זה של מחקר.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים בהכרת תודה על תמיכה כספית מהקרן הלאומית למדע. NSF פרס ID-1846477.
Materials
| 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. A photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
- 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. , (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).
