Fabricação e teste de plataformas de trapping fotoforética automáticas em miniatura
Summary
Este trabalho descreve e caracteriza a fabricação de plataformas de trapping fotophoretic automático em miniatura.
Abstract
Este artigo apresenta uma plataforma de teste de armadilha fotoforética automatizada, rápida e compatível com fab para permitir a democratização e crowdsourcing de pesquisas de exibição volutiva. A plataforma pode ser construída dentro de 2 h usando um cortador a laser, impressora tridimensional (3D) e ferramentas manuais comuns. Em sua forma atual, a plataforma pode ser usada para testar os seguintes parâmetros críticos: tipo de partícula, tipo de armadilha, abertura numérica e fluxo de ar a uma taxa de aproximadamente 250 amostras por hora. Com pequenas modificações, a plataforma pode ser feita para testar um conjunto ainda maior de parâmetros, como potência laser e comprimento de onda laser, dependendo das necessidades do usuário. A plataforma pode usar visão de máquina para captura e análise automatizada de dados. A operação e a construção da plataforma de teste são descritas com passos conciso e fáceis de seguir. Os resultados de uma “fazenda” de plataforma de teste de quatro unidades que cobre os parâmetros do tipo de energia e partículas são relatados. Esta plataforma ampliará o escopo e a composição de parâmetros de exibição de armadilha óptica e pesquisadores por meio da acessibilidade e democratização.
Introduction
O display de armadilha óptica (OTD) torna possível as geometrias de exibição vistas na ficção científica. Ele opera prendendo uma partícula através da fotoferésia e iluminando a partícula1,2,3,4. Em seguida, arrastar essa partícula pelo espaço forma uma imagem no ar que o espectador percebe como contínua pela persistência da visão5. Esta tecnologia 3D sem tela permite que ele exiba geometrias como projeções de lançamento longo, mesas de areia altas e displays envolvente1. Essas geometrias são exclusivamente convincentes porque não exigem tela e criam conteúdo que pode ser visto de praticamente todos os ângulos.
Pesquisadores da Universidade Brigham Young encontraram sucesso inicial em seu sistema de captura fotoforética de primeira geração usando um expansor de feixe e scanners galvanômetros, juntamente com vários espelhos e uma ou mais lentes esféricas para criar uma armadilha fotoforética através de uma aberração esférica1,4. Esta plataforma de trapping de primeira geração também continha lasers RGB (vermelho-verde-azul) para permitir uma iluminação de exibição colorida precisa. Usando este sistema de trapping, os OTDs são criados movendo uma única partícula através de um caminho complicado. Essa abordagem limita o tamanho das imagens a menos de um centímetro cúbico e limita a complexidade das imagens em tempo real a wireframes e outros conteúdos esparsos6,7. Além disso, o dimensionamento desta tecnologia é limitado pela inconsistência das armadilhas fotoforéticas8. Se um único sistema de armadilha/partícula puder ser otimizado, o dimensionamento do display poderá ser alcançado replicando uma armadilha otimizada e sincronizando e escaneando várias partículas9. Qualquer problema com uma única armadilha será composto em um sistema multi-trap, por isso a otimização cuidadosa dos parâmetros de armadilha e partículas é fundamental.
A otimização de um sistema individual de armadilha/captura requer testes extensivos para cada parâmetro do sistema de captura foforética7. Tais parâmetros incluem tipo de partícula (substância, forma, tamanho), poder laser, comprimento de onda laser e abertura numérica (distância focal, diâmetro, inclinação). Testes e experimentação através de tentativa e erro para cada parâmetro otimizarão armadilhas individuais e múltiplas armadilhas síncronas. Ainda assim, eles exigirão grandes quantidades de dados para serem coletados.
No passado, o processo de pesquisa e teste para otimização da captura fotoforética através da aberração esférica só foi feito por um punhado de pesquisadores em todo o mundo1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Até recentemente, pesquisadores da Universidade Brigham Young contavam com um único, grande e caro sistema de captura para coletar os dados necessários, o que fez com que o processo de teste e coleta de dados fosse lento1,7. No entanto, desde a introdução de monitores de armadilha óptica como solução para visualização 3D em 20181, indivíduos de todas as faixas etárias e de vários continentes manifestaram o desejo de participar da pesquisa. Devido ao interesse gerado pelos OTDs, os pesquisadores têm procurado encontrar uma maneira de permitir que todas as partes interessadas participem do processo de pesquisa. As gerações anteriores de plataformas de captura fotoforética, que continham divisores de feixes e galvanizadores, eram muito caras e demoradas para produzir em massa e crowdsource1,6, então uma solução diferente era necessária.
Foi desenvolvida uma nova plataforma de trapping fotoforética em miniatura, que permite que todas as partes interessadas participem da pesquisa e testem e reúnam rapidamente dados para todos os parâmetros significativos mencionados acima. Eles podem ser fabricados rapidamente por qualquer um que tenha acesso a uma impressora 3D e cortador a laser. Este design tenta minimizar custos e complexidades, mitigar riscos e maximizar a automação, interconectividade e flexibilidade (Figura 1). A nova plataforma emprega a configuração óptica mais simples possível para captura fotoforética: um único laser e lente10. As pequenas plataformas são simples de usar uma vez configuradas e podem testar a uma taxa de aproximadamente 250 tentativas por hora.
Os dados coletados dessas plataformas a partir dos testes de futuros cientistas cidadãos e pesquisadores ajudarão significativamente a desenvolver armadilhas fotopforéticas em seu uso para visualização 3D, permitindo a otimização de parâmetros de trapping e armadilhas individuais.
Protocol
Representative Results
Discussion
O presente protocolo contém várias etapas essenciais que são fundamentais para o funcionamento automático da plataforma de trapping. Primeiro, o eletroímã deve ser apropriadamente ligado à placa de microcontrolador através do circuito especificado. Sem o eletroímã, a utilidade total da plataforma de teste em miniatura é perdida. O eletroímã controla cada tentativa de captura, elevando o reservatório de partículas na plataforma cantilever até o caminho do laser. Cada tentativa de armadilha é outro ciclo de elevação e redução da plataforma.
A câmera só é usada na etapa 4.2, conforme descrito no protocolo, mas é fundamental para essa opção. O passo 4.2 requer uma câmera para detectar se uma partícula foi presa, permitindo a coleta de dados de várias plataformas. Se a câmera não estiver conectada corretamente, a plataforma não será capaz de tentar qualquer armadilha.
O terceiro e mais crítico passo, passo 5.2.1, é alinhar e focar o laser. A lente deve ser colocada para que o ponto focal ocorra sobre o eletroímã. A plataforma cantilevered passará pelo ponto focal sobre o eletroímã, permitindo que as partículas aprisionem. Suponha que o ponto focal não esteja centrado acima do meio do eletroímã. Nesse caso, torna-se desafiador garantir que a plataforma cantilever carregando partículas passe pelo ponto focal para criar armadilhas. Isso pode levar à falta de armadilhas. Também é essencial que a plataforma seja elevada sobre o eletroímã para que o caminho do laser não esteja constantemente entrando em contato com a plataforma. Isso pode fazer com que a câmera denuncie falsos positivos. Para ajustar mais facilmente a localização do ponto focal, sugere-se o uso de um trilho óptico na configuração da plataforma; isso permitirá que os usuários deslizem facilmente o suporte da lente para trás ou para frente para posicionar corretamente o ponto focal. A peça laser e o tubo de ensaio/cantilever já estão alinhados se a plataforma tiver sido adequadamente construída; o uso do trilho óptico manterá a lente alinhada com as outras partes.
Duas opções separadas estão detalhadas no Protocolo, etapa 4.1 e etapa 4.2. A primeira opção, passo 4.1, é a maneira simples original de executar a plataforma de toque em miniatura. Esta opção conta com o olho humano para detectar partículas em vez de um sistema de câmera. Essa opção é melhor para coletar conjuntos menores de dados rapidamente ou em situações em que uma demonstração ao vivo é desejada. A primeira opção foi usada durante os dois primeiros experimentos antes da criação da segunda opção. A segunda opção, passo 4.2, usa uma câmera para detecção e captura automática, permitindo que milhares de testes sejam executados e inseridos em um banco de dados sem qualquer supervisão humana. A precisão da câmera depende da condição exata de teste; certos materiais mais reflexivos, quando testados, pareciam ter uma taxa de trapping menos precisa quando comparados com testes semelhantes feitos com detecção humana. No entanto, vários parâmetros no script da câmera podem ser alterados para aumentar a precisão da câmera. A precisão exata da câmera é algo que pode ser melhorado, mas também não é uma preocupação significativa porque as plataformas em miniatura são destinadas a testes iniciais. A segunda opção também pode ser facilmente modificada para executar duas plataformas de teste de uma única placa microcontroladora; detalhes para essa modificação estão incluídos no Arquivo Suplementar 7.
O trabalho atual está desenvolvendo uma forma mais exata e consistente de detecção automática de armadilhas através do aprendizado de máquina. Este novo sistema de detecção de aprendizado de máquina, quando concluído, usará redes neurais convolucionais para detectar melhor partículas presas com uma taxa de precisão muito maior (acima de 95%), reforçando ainda mais o uso e efeito que tais plataformas de teste em miniatura podem ter no futuro da pesquisa de exibição de armadilhas fotoforças.
Em sua forma base atual, a plataforma de captura em miniatura é limitada de algumas maneiras. Essas plataformas em miniatura são incapazes de criar OTDs reais escaneando a partícula após uma armadilha ter ocorrido. O design também limita a possibilidade de os scanners serem adicionados para uso futuro na criação de OTDs. Outra limitação do projeto é a necessidade de componentes adicionais para que um teste específico ocorra. Por exemplo, um atenuador óptico variável foi usado para coletar os conjuntos de dados em diferentes níveis de potência de saída óptica durante o teste de potência a laser. Da mesma forma, se um pesquisador quisesse testar o comprimento de onda laser em um teste futuro, eles exigiriam vários outros lasers de potência óptica comparável com diferentes comprimentos de onda, além do laser usado neste trabalho. A plataforma provavelmente exigiria modificações adicionais para segurar cada laser, este processo limitaria a velocidade com que tal teste poderia ser conduzido, mas ainda seria possível. Este design também é determinado pela necessidade de imprimir em 3D um novo suporte de lente para cada lente. O design e a aplicação também estão limitados às lentes biconvex esféricas, que produzem aberração esférica para formar regiões onde a captura pode ocorrer.
Daqui para frente, as aplicações futuras incluem testes contínuos e otimização dos parâmetros de trapping fotoforética. Como mencionado brevemente acima, a plataforma de trapping em miniatura poderia facilmente ser modificada em um sistema OTD básico barato adicionando scanners para o controle do eixo y e do eixo x. A entrega de partículas controlada por eletroímã usada na plataforma de captura em miniatura também poderia ser implementada em futuros sistemas avançados de OTD.
A plataforma de captura em miniatura é, em última análise, única e distinta neste campo de pesquisa, pois pode ser barata e rapidamente fabricada, permitindo testes rápidos em massa. Estas plataformas são destinadas a ser sistemas enxutos projetados para os testes iniciais e otimização dos parâmetros de trapping fotoforética. Uma plataforma individual pode testar a uma taxa de ~250 tentativas por hora. Muitos outros tipos de sistemas de trapping fotoforéticos ou plataformas foram desenvolvidos para ter melhores sistemas automáticos ou realizar mais, escaneando a partícula para criar uma imagem após uma armadilha bem sucedida1,8. Estes sistemas de captura em miniatura não são destinados a substituir o uso de tais sistemas. Eles são destinados a testar rapidamente parâmetros e condições de armadilha fotoforética para dar aos pesquisadores uma melhor compreensão do que faz uma boa armadilha fotopforética. A plataforma de armadilhas em miniatura democratizará a pesquisa de armadilhas fotoforéticas e permitirá uma nova onda de experimentação edisoniana e progressão neste campo de pesquisa.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação Nacional de Ciência. NSF Award 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).
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- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
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- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
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