Данная работа описывает и характеризует изготовление миниатюрных автоматических фотофоретических улавливающих установок.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Авторы с благодарностью отмечают финансовую поддержку со стороны Национального научного фонда. Награда NSF 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 |