ミニチュア自動フォトフォレティックトラップリグの製造とテスト
Summary
この研究は、小型自動フォトフォレティックトラップリグの製造を説明し、特徴付けます。
Abstract
このホワイトペーパーでは、体積ディスプレイ研究の民主化とクラウドソーシングを可能にするために、自動化された高速ファブ互換のフォトフォレティックトラップテストリグを紹介します。リグは、レーザーカッター、3次元(3D)プリンタ、および一般的なハンドツールを使用して2時間以内に構築できます。現在の形式では、リグを使用して、粒子タイプ、トラップタイプ、開口数、およびエアフローの重要なパラメータを1時間あたり約250サンプルの速度でテストできます。リグを少し変更するだけで、ユーザーのニーズに応じて、レーザー出力やレーザー波長など、さらに大きなパラメータセットをテストできます。リグはマシンビジョンを使用して、自動データキャプチャと分析を行うことができます。テストリグの操作と構造は、簡潔でわかりやすい手順で説明されています。出力とパーティクル タイプのパラメータをカバーする 4 ユニットのテスト リグ「ファーム」の結果が報告されます。このプラットフォームは、アクセシビリティと民主化を通じて、光学トラップディスプレイパラメータと研究者の範囲と構成を広げます。
Introduction
光学トラップディスプレイ(OTD)は、SFで見られるディスプレイ形状を可能にします。これは、光フェレーシスを介して粒子を捕捉し、粒子1,2,3,4を照らすことによって動作する。次に、その粒子を空間にドラッグすると、視覚の持続性に従って連続していると視聴者が知覚する空気中の画像が形成されます5。このスクリーンレス3D技術により、長投射、背の高い砂のテーブル、ラップアラウンドディスプレイなどの形状を表示できます1。これらのジオメトリは、画面を必要とせず、ほぼすべての角度から見ることができるコンテンツを作成するため、ユニークに魅力的です。
ブリガム・ヤング大学の研究者は、ビームエキスパンダーとガルバノメータースキャナー、およびいくつかのミラーと1つ以上の球面レンズを使用して球面収差による光泳動トラップを作成することによって、第1世代の光泳動トラップで最初の成功を収めました1,4。この第1世代のトラップリグには、正確な色付きディスプレイ照明を可能にするRGB(赤-緑-青)レーザーも含まれていました。このトラップシステムを使用して、OTDは、複雑な経路を介して単一の粒子を移動することによって作成されます。このアプローチでは、画像のサイズを立方センチメートル未満に制限し、リアルタイム画像の複雑さをワイヤーフレームやその他のまばらなコンテンツに制限します6,7。さらに、この技術のスケーリングは、光泳動トラップの不整合によって制限されます8。単一のトラップ/パーティクルシステムを最適化できる場合、最適化されたトラップを複製し、複数のパーティクルを同期的にトラップおよびスキャンすることで、ディスプレイのスケーリングを実現できます9。単一トラップの問題はマルチトラップシステムで複合化されるため、トラップとパーティクルパラメータを慎重に最適化することが重要です。
個々のトラップ/トラップシステムの最適化には、光泳動トラップシステムのすべてのパラメータに対して広範なテストを行う必要があります7。このようなパラメータには、粒子タイプ(物質、形状、サイズ)、レーザー出力、レーザー波長、および開口数(焦点距離、直径、傾き)が含まれる。各パラメータの試行錯誤によるテストと実験により、個々のトラップと複数の同期トラップが最適化されます。それでも、大量のデータを収集する必要があります。
過去には、球面収差による光泳動トラップを最適化するための研究と試験プロセスは、世界中のほんの一握りの研究者によってのみ行われていました1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 .最近まで,ブリガム・ヤング大学の研究者は,必要なデータを収集するために,大規模で高価な単一のトラップシステムに頼っていたため,データのテストと収集のプロセスが遅くなっていました1,7。しかし、2018年に3D可視化のソリューションとして光学トラップディスプレイを導入して以来1、あらゆる年齢層およびいくつかの大陸の個人が研究に参加したいという願望を表明しています。OTDへの関心が高まったため、研究者はすべての利害関係者が研究プロセスに参加できるようにする方法を見つけたいと考えていました。ビームスプリッターとガルバノメーターを含む前世代の光泳動トラップリグは、大量生産とクラウドソーシングには高価で時間がかかりすぎたため1,6、別のソリューションが必要でした。
新しい小型光泳動トラップリグが開発され、すべての利害関係者が研究に参加し、上記のすべての重要なパラメータのデータを迅速にテストおよび収集することができます。3Dプリンタとレーザーカッターにアクセスできる人なら誰でも迅速に製造できます。この設計では、コストと複雑さを最小限に抑え、リスクを軽減し、自動化、相互接続性、柔軟性を最大化しようとしています(図1)。この新しいリグは、フォトフォレティックトラップに最も簡単な光学セットアップを採用しています:単一のレーザーとレンズ10。小型リグは一度セットアップすれば使いやすく、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。
将来の市民科学者や研究者のテストからこれらのリグから収集されたデータは、トラップパラメータと個々のトラップの最適化を可能にすることにより、3D視覚化に使用する際の光恐怖トラップの開発に大きく役立ちます。
Protocol
Representative Results
Discussion
現在のプロトコルには、トラップリグの自動実行に不可欠ないくつかの重要なステップが含まれています。まず、電磁石は、指定された回路を介してマイクロコントローラボードに適切に取り付ける必要があります。電磁石がなければ、小型テストリグの全体的な有用性が失われます。電磁石は、片持ち梁プラットフォーム上の粒子リザーバをレーザーの経路に引き上げることによって、各捕捉試行を制御する。各トラップの試行は、プラットフォームを上下させる別のサイクルです。
カメラは、プロトコルで説明されているようにステップ4.2でのみ使用されますが、そのオプションでは重要です。ステップ4.2では、粒子がトラップされているかどうかを検出するためにカメラが必要であり、複数のリグからのデータ収集を可能にします。カメラが正しく取り付けられていない場合、リグはトラップを試行できません。
3番目の最も重要なステップであるステップ5.2.1は、レーザーの位置合わせと集束です。焦点が電磁石の上に生じるようにレンズを配置する必要があります。片持ち梁プラットフォームは電磁石上の焦点を通過し、粒子が捕捉することを可能にする。焦点が電磁石の中央より上の中心にないとします。その場合、粒子を運ぶ片持ち梁プラットフォームが焦点を通過してトラップを作成することを保証することは困難になります。これはトラップの欠如につながる可能性があります。また、レーザー経路が常にプラットフォームに接触しないように、プラットフォームを電磁石上に上昇させることも不可欠です。これにより、カメラが誤検知を報告する可能性があります。焦点の位置をより簡単に調整するには、リグのセットアップに光レールを使用することをお勧めします。これにより、ユーザーはレンズホルダーを後方または前方に簡単にスライドさせて、焦点を適切に配置できます。レーザーと試験管/片持ち梁の部分は、リグが適切に構築されていればすでに整列されています。光学レールを使用すると、レンズが他の部品と整列したままになります。
プロトコルでは、ステップ 4.1 とステップ 4.2 の 2 つの別個のオプションが詳述されています。最初のオプションであるステップ4.1は、ミニチュアタッピングリグを実行するための元の簡単な方法です。このオプションは、カメラシステムの代わりに人間の目に依存して粒子を検出します。このオプションは、小さなデータセットをすばやく収集する場合や、ライブデモが必要な状況で収集する場合に最適です。最初のオプションは、2 番目のオプションが作成される前に、最初の 2 つの実験で使用されました。2番目のオプションであるステップ4.2は、カメラを使用して自動検出とトラップを行い、何千ものテストを実行し、人間の監督なしにデータベースに入力できるようにします。カメラの精度は、正確なテスト条件によって異なります。特定のより反射性の高い材料は、試験されたとき、人間の検出で行われた同様の試験と比較して、より正確な捕捉率を有するように見えた。ただし、カメラスクリプトのいくつかのパラメータを変更して、カメラの精度を上げることができます。カメラの正確な精度は改善できるものですが、ミニチュアリグは初期テスト用であるため、大きな問題でもありません。2番目のオプションは、1つのマイクロコントローラボードから2つのテストリグを実行するように簡単に変更することもできます。この変更の詳細については、 補足ファイル 7 を参照してください。
現在の研究は、機械学習を通じて、より正確で一貫性のある自動トラップ検出形式を開発しています。この新しい機械学習検出システムは、完成すると、畳み込みニューラルネットワークを使用して、捕捉された粒子をはるかに高い精度(95%以上)でより正確に検出し、このような小型テストリグの使用と効果をさらに強化します光泳動トラップディスプレイ研究の将来。
現在のベースフォームでは、ミニチュアトラップリグはいくつかの点で制限されています。これらのミニチュアリグは、トラップが発生した後にパーティクルをスキャンして実際のOTDを作成することはできません。この設計により、OTDの作成に将来使用するためにスキャナが追加される可能性も制限されます。設計のもう 1 つの制限は、特定のテストを実行するために追加のコンポーネントが必要であることです。例えば、可変光減衰器を使用して、レーザー出力試験中に異なる光出力パワーレベルでデータセットを収集しました。同様に、研究者が将来のテストでレーザー波長をテストしたい場合、この研究で使用されるレーザーに加えて、異なる波長を持つ同等の光パワーの他のいくつかのレーザーが必要になります。リグは各レーザーを保持するために追加の修正を必要とする可能性が最も高く、このプロセスはそのようなテストを実施できる速度を制限するが、それでも可能である。この設計は、レンズごとに新しいレンズホルダーを3Dプリントする必要があることによっても決定されます。設計と用途は球面両凸レンズにも限定され、球面収差が生じてトラップが発生する可能性のある領域を形成します。
今後のアプリケーションには、光泳動トラップパラメータの継続的なテストと最適化が含まれます。上記で簡単に述べたように、小型トラップリグは、y軸およびx軸制御用のスキャナを追加することで、基本的な安価なOTDシステムに簡単に変更できます。小型トラップリグで使用される電磁石制御粒子送達は、将来の高度なOTDシステムにも実装される可能性があります。
ミニチュアトラップリグは、安価かつ迅速に製造でき、迅速な大量試験を可能にするため、この研究分野では最終的にユニークで独特です。これらのリグは、光泳動トラップパラメータの初期テストと最適化のために設計されたリーンシステムであることを意図しています。個々のリグは、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。他の多くのタイプの光泳動トラップシステムまたはリグは、より良い自動システムを持つか、トラップが成功した後に画像を作成するために粒子をスキャンすることによってより多くのことを達成するために開発されました1,8。これらのミニチュアトラップシステムは、そのようなシステムの使用を置き換えるものではありません。これらは、光泳動トラップのパラメータと条件を迅速にテストして、研究者が良好な光泳動トラップを可能にするものをよりよく理解することを目的としています。ミニチュアトラップリグは、光恐怖トラップ研究を民主化し、この研究分野におけるエジソンの実験と進歩の新しい波を可能にします。
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、米国国立科学財団からの財政的支援に感謝の意を表している。NSFアワード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).
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