Este trabajo describe y caracteriza la fabricación de plataformas de captura fotoforética automática en miniatura.
Este artículo presenta un banco de pruebas de trampa fotoforética automatizado, compatible con la fabricación rápida para permitir la democratización y el crowdsourcing de la investigación de pantallas volumétricas. El equipo se puede construir en 2 horas utilizando un cortador láser, una impresora tridimensional (3D) y herramientas manuales comunes. En su forma actual, la plataforma se puede utilizar para probar los siguientes parámetros críticos: tipo de partícula, tipo de trampa, apertura numérica y flujo de aire a una velocidad de aproximadamente 250 muestras por hora. Con una modificación menor, la plataforma se puede hacer para probar un conjunto aún mayor de parámetros, como la potencia del láser y la longitud de onda del láser, dependiendo de las necesidades del usuario. La plataforma puede utilizar la visión artificial para la captura y el análisis automatizados de datos. El funcionamiento y la construcción del banco de pruebas se describen con pasos concisos y fáciles de seguir. Se informan los resultados de una “granja” de banco de pruebas de cuatro unidades que cubre los parámetros de potencia y tipo de partícula. Esta plataforma ampliará el alcance y la composición de los parámetros de visualización de trampas ópticas y los investigadores a través de la accesibilidad y la democratización.
La pantalla de trampa óptica (OTD) hace posible las geometrías de visualización vistas en la ciencia ficción. Funciona atrapando una partícula a través de la fotoféresis e iluminando la partícula1,2,3,4. Luego, arrastrar esa partícula a través del espacio forma una imagen en el aire que el espectador percibe como continua según la persistencia de la visión5. Esta tecnología 3D sin pantalla le permite mostrar geometrías como proyecciones de largo alcance, mesas de arena altas y pantallas envolventes1. Estas geometrías son excepcionalmente atractivas porque no requieren pantalla y crean contenido que se puede ver desde prácticamente todos los ángulos.
Investigadores de la Universidad Brigham Young encontraron el éxito inicial en su sistema de captura fotoforética de primera generación mediante el uso de un expansor de haz y escáneres de galvanómetro, junto con varios espejos y una o más lentes esféricas para crear una trampa fotoforética a través de la aberración esférica1,4. Esta plataforma de captura de primera generación también contenía láseres RGB (rojo-verde-azul) para permitir una iluminación precisa de la pantalla en color. Usando este sistema de captura, los OTD se crean moviendo una sola partícula a través de un camino enrevesado. Este enfoque limita el tamaño de las imágenes a menos de un centímetro cúbico y limita la complejidad de las imágenes en tiempo real a wireframes y otros contenidos dispersos6,7. Además, el escalado de esta tecnología está limitado por la inconsistencia del atrapamiento fotoforético8. Si se puede optimizar un solo sistema de trampa/partícula, se podría escalar la pantalla replicando una trampa optimizada y atrapando y escaneando sincrónicamente múltiples partículas9. Cualquier problema con una sola trampa se agravará en un sistema de trampa múltiple, por lo que la optimización cuidadosa de los parámetros de trampa y partículas es crítica.
La optimización de un sistema de trampa/trampeo individual requiere que se realicen pruebas exhaustivas para cada parámetro del sistema de captura fotoforética7. Tales parámetros incluyen el tipo de partícula (sustancia, forma, tamaño), la potencia del láser, la longitud de onda del láser y la apertura numérica (distancia focal, diámetro, inclinación). Las pruebas y la experimentación a través de prueba y error para cada parámetro optimizarán las trampas individuales y las trampas síncronas múltiples. Aún así, requerirán que se recopilen grandes cantidades de datos.
En el pasado, el proceso de investigación y prueba para optimizar el atrapamiento fotoforético a través de la aberración esférica solo ha sido realizado por un puñado de investigadores en todo el mundo1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Hasta hace poco, los investigadores de la Universidad Brigham Young se han basado en un único, grande y costoso sistema de captura para recopilar los datos necesarios, lo que hizo que el proceso de prueba y recopilación de datos fuera lento1,7. Sin embargo, desde la introducción de las pantallas de trampas ópticas como una solución para la visualización 3D en 20181, personas de todos los grupos de edad y de varios continentes han expresado su deseo de participar en la investigación. Debido al interés generado en los OTD, los investigadores han querido encontrar una manera de permitir que todas las partes interesadas participen en el proceso de investigación. Las generaciones anteriores de plataformas de captura fotoforética, que contenían divisores de haz y galvanómetros, eran demasiado caras y lentas para producir en masa y crowdsource1,6, por lo que se necesitaba una solución diferente.
Se ha desarrollado una nueva plataforma de captura fotoforética en miniatura, que permite a todas las partes interesadas participar en la investigación y probar y recopilar rápidamente datos para todos los parámetros significativos mencionados anteriormente. Pueden ser fabricados rápidamente por cualquier persona que tenga acceso a una impresora 3D y un cortador láser. Este diseño intenta minimizar el costo y la complejidad, mitigar el riesgo y maximizar la automatización, la interconectividad y la flexibilidad (Figura 1). El nuevo equipo emplea la configuración óptica más sencilla posible para el atrapamiento fotoforético: un solo láser y una lente10. Las plataformas pequeñas son fáciles de usar una vez configuradas y pueden probarse a una velocidad de aproximadamente 250 intentos por hora.
Los datos recopilados de estos equipos de las pruebas de futuros científicos e investigadores ciudadanos ayudarán significativamente a desarrollar el atrapamiento fotoforético en su uso para la visualización 3D al permitir la optimización de los parámetros de captura y las trampas individuales.
El presente protocolo contiene varios pasos esenciales que son críticos para el funcionamiento automático de la plataforma de trampeo. Primero, el electroimán debe estar conectado adecuadamente a la placa del microcontrolador a través del circuito especificado. Sin el electroimán, se pierde la utilidad total del banco de pruebas en miniatura. El electroimán controla cada intento de captura elevando el depósito de partículas en la plataforma en voladizo hacia la trayectoria del láser. Cada intento de trampa es otro ciclo de subir y bajar la plataforma.
La cámara solo se utiliza en el paso 4.2 como se describe en el protocolo, pero es fundamental para esa opción. El paso 4.2 requiere una cámara para detectar si una partícula ha sido atrapada, lo que permite la recopilación de datos de múltiples plataformas. Si la cámara no está conectada correctamente, el equipo no podrá intentar ningún trampeo.
El tercer y más crítico paso, el paso 5.2.1, es alinear y enfocar el láser. La lente debe colocarse de manera que el punto focal se produzca sobre el electroimán. La plataforma en voladizo pasará a través del punto focal sobre el electroimán, permitiendo que las partículas se atrapen. Supongamos que el punto focal no está centrado por encima de la mitad del electroimán. En ese caso, se vuelve difícil asegurarse de que la plataforma en voladizo que transporta partículas pase a través del punto focal para crear trampas. Esto puede conducir a la falta de trampas. También es esencial que la plataforma se eleve sobre el electroimán para que la trayectoria del láser no entre en contacto constante con la plataforma. Esto puede hacer que la cámara informe de falsos positivos. Para ajustar más fácilmente la ubicación del punto focal, se sugiere utilizar un riel óptico en la configuración de la plataforma; esto permitirá a los usuarios deslizar fácilmente el soporte de la lente hacia atrás o hacia adelante para colocar el punto focal correctamente. El láser y la parte del tubo de ensayo / voladizo ya están alineados si la plataforma se ha construido adecuadamente; el uso del riel óptico mantendrá la lente alineada con las otras partes.
En el Protocolo se detallan dos opciones separadas, el paso 4.1 y el paso 4.2. La primera opción, el paso 4.1, es la forma sencilla original de ejecutar el equipo de tapping en miniatura. Esta opción se basa en el ojo humano para detectar partículas en lugar de un sistema de cámara. Esta opción es la mejor para recopilar conjuntos más pequeños de datos rápidamente o en situaciones en las que se desea una demostración en vivo. La primera opción se utilizó durante los dos primeros experimentos antes de que se creara la segunda opción. La segunda opción, el paso 4.2, utiliza una cámara para la detección automática y el reventado, lo que permite ejecutar miles de pruebas e ingresarlas en una base de datos sin ninguna supervisión humana. La precisión de la cámara depende de la condición exacta de la prueba; ciertos materiales más reflectantes, cuando se probaron, parecieron tener una tasa de captura menos precisa en comparación con pruebas similares realizadas con detección humana. Sin embargo, se pueden cambiar varios parámetros en el guión de la cámara para aumentar la precisión de la cámara. La precisión exacta de la cámara es algo que se puede mejorar, pero tampoco es una preocupación importante porque los equipos en miniatura están destinados a las pruebas iniciales. La segunda opción también se puede modificar fácilmente para ejecutar dos bancos de pruebas desde una sola placa de microcontrolador; los detalles de esa modificación se incluyen en el Expediente Complementario 7.
El trabajo actual está desarrollando una forma más exacta y consistente de detección automática de trampas a través del aprendizaje automático. Este nuevo sistema de detección de aprendizaje automático, cuando esté terminado, utilizará redes neuronales convolucionales para detectar mejor las partículas atrapadas con una tasa de precisión mucho mayor (por encima del 95%), reforzando aún más el uso y el efecto que tales plataformas de prueba en miniatura pueden tener en el futuro de la investigación de pantallas de trampas fotoforéticas.
En su forma base actual, la plataforma de captura en miniatura está limitada de varias maneras. Estos equipos en miniatura no pueden crear OTD reales escaneando la partícula después de que se haya producido una trampa. El diseño también limita la posibilidad de que se agreguen escáneres para su uso futuro en la creación de OTD. Otra limitación del diseño es la necesidad de componentes adicionales para que se realice una prueba específica. Por ejemplo, se utilizó un atenuador óptico variable para recopilar los conjuntos de datos a diferentes niveles de potencia de salida óptica durante la prueba de potencia láser. Del mismo modo, si un investigador deseara probar la longitud de onda del láser en una prueba futura, requeriría varios otros láseres de potencia óptica comparable con diferentes longitudes de onda además del láser utilizado en este trabajo. Lo más probable es que la plataforma requiera modificaciones adicionales para sostener cada láser, este proceso limitaría la velocidad a la que se podría realizar dicha prueba, pero aún sería posible. Este diseño también está determinado por la necesidad de imprimir en 3D un nuevo soporte de lente para cada lente. El diseño y la aplicación también se limitan a las lentes biconvexas esféricas, que producen aberración esférica para formar regiones donde puede ocurrir la captura.
En el futuro, las aplicaciones futuras incluyen pruebas continuas y optimización de los parámetros de captura fotoforética. Como se mencionó brevemente anteriormente, la plataforma de captura en miniatura podría modificarse fácilmente en un sistema OTD básico de bajo costo agregando escáneres para el control del eje y el eje x. La entrega de partículas controladas por electroimán utilizada en la plataforma de captura en miniatura también podría implementarse en futuros sistemas OTD avanzados.
La plataforma de captura en miniatura es, en última instancia, única y distinta en este campo de investigación porque se puede fabricar de manera económica y rápida, lo que permite realizar pruebas masivas rápidas. Estos equipos están destinados a ser sistemas lean diseñados para la prueba inicial y la optimización de los parámetros de captura fotoforética. Una plataforma individual puede probar a una velocidad de ~ 250 intentos por hora. Se han desarrollado muchos otros tipos de sistemas o plataformas de captura fotoforética para tener mejores sistemas automáticos o lograr más escaneando la partícula para crear una imagen después de una trampa exitosa1,8. Estos sistemas de captura en miniatura no están destinados a reemplazar el uso de dichos sistemas. Están destinados a probar rápidamente los parámetros y las condiciones de la captura fotoforética para dar a los investigadores una mejor comprensión de lo que hace que la captura fotoforética sea buena. La plataforma de captura en miniatura democratizará la investigación de trampas fotoforéticas y permitirá una nueva ola de experimentación y progresión edisoniana en este campo de investigación.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen el apoyo financiero de la National Science Foundation. Premio 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 |