"Только не в этой стране!", - ответ Майка Скайлора на растерянную реплику: "Но я слышал, что в США профессора ничего сами не мастерят" (
предлагается в раздел Очумелые Наноручки).
Есть в нашем университете такой спецкурс, вернее, лабораторный практикум для аспирантов- Microcomputer Interfacing. Веду его я, а придумал его профессор Майк Скайлор, ушедший недавно на пенсию (придумать лабораторный практикум раз в десять труднее чем вести). В программе курса - введение в программирование на Visal Basic и LabVIEW, базовая электроника, и микроконтроллеры. Химикам приходится тяжело, иногда лабы начинаются в полдень и заканчиваются в 9 вечера, инженеры, напротив, иногда откровенно скучают.
Пока я сижу в лабе, наблюдая за десятком аспирантов, самое время поговорить про DIY. Не надо путать DIY и DUI, так как последнее есть малопочтенное занятие езды в нетрезвом виде. DIY это аббревиатура от "Do It Yorself", в русском языке превращающаяся в "Сделай Сам". Почему - то многие в России считают, что на Западе ученый ничего сам не мастерит, а наоборот, все-все покупает, тратя драгоценное время на раздачу не менее ценных указаний прилежным аспирантам и трудолюбивым постдокам. Ну купить что-то, положим, не в пример проще, чем сделать. Проблема, к сожалению, в том, что всего не купишь.
Первое, что осознаешь, получая место профессора и ключи от пустой лаборатории - никто тебе ничего делать не будет. Стены, конечно, покрасят и потолок, несомненно, побелят, но это, в общем-то, и все. Поэтому сначала берешь кредитную карточку химического факультета и едешь в магазин Home Depot. Вооружаешся тележкой и начинаешь грузить в нее массу полезных вещей, начиная от инструментов, заканчивая пластиковыми трубами и шурупами. Потом... Потом две недели работы, беготня с ящиками с оборудованием - и исследовательская лаборатория готова.
Оборудовав и насторожив лабораторию в режиме "ловушка для аспирантов", можно занятся другими делами. Но иногда руки чешутся, и для приборов делаешь очередную хохрюшку. Собственно, речь пойдет о нашем флуоресцентном спектральном микроскопе.
Мы работаем с такими маленькими полимерными частичками - ион-селективными сенсорами. Самые маленькие - около 100 нм в диаметре. Самые большие - микрон 5-10. Поскольку нас интересуют оптические свойства оных, мы фокусируем на одной из них микроскоп, потом на изображение опускается щель, щелк! Тут в дело вступает наша "замороженная" до -80oC градусов ПЗС камера, которая снимает спектр флуоресценции. Частичка при этом из щели спектрометра норовит удрать. Понаблюдав за гимнастическими упражнениями аспирантов, старающихся вручную вращая винты и поставить частичку в центр, глядя на дисплей компьютера, я решил прикрутить мотор в столу микроскопа. Кстати, о том, что как-то стабилизировать изображение архиважно и архинужно в случае, когда размеры сенсора становятся субмикронными, говорила в своем последнем докладе на ПИТТКоне Лиза Холл (Towards a Design for Particles to Resolve Intracellular Ion Concentrations ELIZABETH (LISA) A HALL, University of Cambridge, Maria Jose Ruedas, Xiaojuan Wang, Pei-Lun Lin).
У меня давно валялись два пьезоэлектрических стола от Physik Instrumente (PI), отданные нам с завода Хьюлетт-Паккард в Корваллисе. Возникла идея прикрутить один из них прямо сверху на механический стол. Это и было сделано за вечер, попутно из алюминиевой болванки я попросил выточить нашего токаря стакан для образцов, который был установлен по центру пьезоэлектрического стола. Результат кручения ручек на контроллере стола не порадовал. Во - первых, неудобно. Во-вторых, ход стола всего-лишь 100 микрон, что хорошо при работе с 100-кратным объективом, когда все поле зрения 60 микрон, а с меньшими увеличениями опять надо хвататься за винты механического стола.
Захотелось эту систему как-то улучшить. Вдобавок, сняв штатный механический стол, я обнаружил сделанные из стеклонаполненной пластмассы шестеренки и всерьез обиделся на Олимпус. Сначала я, как водится, запросил нескольких производителей о цене механический столов с электроприводом. Цена оказалась в пределе 5-10 тысяч. Комбинация "стол с электроприводом / пьезоэлектрический стол" зашкалила за 50 тысяч. Наш сенсорный проект финансируется небольшим грантом департамента военно-морских исследований США, и подобные дырки в бюджете в нем не предусмотрены. И потом, денег жалко, даже пять тысяч - это целая стипендия студенту на лето, читай целая публикация в хорошем журнале.
Боюсь навлечь гнев высокоученых читателей с огромными бюджетами, но все же скажу очень простую вещь. Если мне нужно оборудование, на которое у меня денег нет, то иду я прямиком на помойку. Не ту грязную, а вполне цивилизованную. У нас есть т.н. OSUrplus - большой ангар, куда свозят списанное оборудование. Поискав там и не найдя ничего подходящего, я отправился на ebay. Поискав "microscope stage", я быстро понял, что передо мной просто Клондайк списанного оборудования. Поторговавшись, купил стол от похожего микроскопа за 300 долларов.
Когда стол пришел через два дня, он подвергся немедленной разборке. Нам в руки попало прекрасное изделие от Prior Scientific с микрошаговыми моторами и шаровыми винтами. Точность позиционирования в пределах микрона, если производитель не врет, ну даже и пускай привирает. Нам все равно столько не надо при наличии пьезостола со 100 микронным ходом.
Немедленно на том же ebay был найден контроллер за 75 американских рублей. Когда он пришел, я немедленно прикрутил одно к другому, подал импульсы от учебного функционального генератора, и моторчики зазвенели вращая винты. Ура! В процессе сборки и установки стола с пьезоэлектрическим позиционером возникла неожиданная проблема - мешал поводок привода "вперед-назад". Я долго глядел на массивную алюминиевую раму, наверное, дорогущего пьезоэлектрического позиционера, потом, решившись, закрепил ее и фрезой вырезал гнездо под поводок на настольном фрезерном станке.
Теперь надо было найти нечто вроде джойстика. В ближайшей лавке RadioSchak меня разочаровали сказав, что последний раз джойстики использовали при царе Горохе и предложили купить game pad. Стоил он 19 зеленых тугриков.
В лабе game pad был воткнут в разъем USB и... О чудо! LabVIEW немедленно распознала в этом чуде старый добрый джойстик! У нас в руках пульт с 10 кнопками и двумя ручками пропорционального управления.
Пару слов о LabVIEW. Это такой язык программирования, поставляющийся с большим набором "железа" для автоматизации научных экспериментов и промышленного оборудования фирмой National Instruments. Вместо строчек кода, однако, пользователь "рисует" программу с помощью значков-пиктограмм. Так же просто можно нарисовать лицевую панель инструмента из готового набора многочисленных ручек, кнопок, экранов с графиками и прочего.
Поскольку денег на фирменную плату управления шаговыми моторчиками было опять жалко, то с полки был взят микроконтроллер фирмы Parallax, именуемый Propeller. Propeller -это восемь независимых 32-битных микроконтроллеров на одном чипе молотящих при 20 миллионах операций в секунду каждый. Производительности его достаточно для полета на Марс. Запрограммировав его за вечер с помощью бесплатного языка Spin, я получил контроллер низкого уровня, который был подключен к компьютеру через последовательный порт, а с другой стороны - к контроллеру двигателей. Поиски корпуса и блока питания для контроллера были прекращены после принятия циничного решения вставить Propeller вместе с драйвером двигателей в корпус персоналки, которая ими же и управляла. При этом дырки безжалостно сверлились по месту.
Одну из плат сбора данных (NI-6225) пришлось все таки купить - пьезостолом надо как-то управлять с помощью аналогового напряжения от 0 до 10 вольт. Она совсем крошечная, подключается через USB. Плата была на скорую руку приклеена двусторонним скотчем прямо к контроллеру пьезостола.
Выходные ушли на написание и отладку простенькой программы под LabVIEW. Результат на картинках, в качестве тест-драйва я выдрал волос, положил его под объектив и "покатался" вдоль него при ширине поля около 160 микрон. Джойстики позволяют плавно двигать "грубый" и "точный" позиционеры.
Стоит в заключение заметить, что если вы попробуете поискать в Гугле словосочетание DIY AFM то возможно вас ждет сюрприз. Или сразу идите по ссылке How to build a Plastic-AFM head.
Удачи всем и цинизма в технических решениях при постановке экспериментов!
. Проект заканчивается, надо быстро доделывать экспериментальную часть. Гуглим и смотрим внутреннюю схему чипа...Ха! По этому каналу инвертор. Поднимаем ножки (не свои, разумеется, а чипа )
) навешиваем на плату транзюк и тройку резисторов. Всё. Прибор снова работает. 