Haptic manipulation of microspheres using optical tweezers under the guidance of artificial potential fields

Abstract

Bu çalışmada optik cımbız ve kuvvet geri beslemeli (haptik) robot kolu kullanılaraksuda asılı duran 3-4 µm çapındaki mikroküreler bağlaşımlı optik mikroçınlayıcı(coupled optical microresonator) oluşturmada kullanılabilecek şekiller oluşturulmaküzere manipüle edilmiştir. Bu amaçla biotin kaplanmış mikroküreler lazer ışınıyardımıyla önce hapsedilip daha sonra piezo tabla vasıtası ile hareket ettirilipsabitlenmiş streptavidin kaplı mikrokürelere yapıştırılmıştır. Bütün kürelerinpozisyonları ve çapları kamera ile alınan görüntüler işlenerek hesaplanmıştır vehapsedilen her küre için engel sakınan yol haritası yapay potansiyel alanlar tekniği ilebulunmuştur. Hapsedilen küre üzerine etkiyen sıvının vizkozitesi ve yapay potansiyelalanlara bağlı kuvvetler ölçeklendirilip taşıma sırasında daha iyi kontrol ve yönlendirmeamacı ile kullanıcıya haptik robot kolu vasıtası ile iletilmiştir. Ayrıca sanal kılavuzlarkullanılarak sabit küreye hareketli kürenin bağlanması sırasında gerekli açıyı sağlamayayardım edecek kuvvetlerde yine haptik robot kolu vasıtası ile kullanıcıya iletilmiştir.Önerilen sistem mikrokürelerin kontrollü birleştirilmesi ve hizalanması içinkullanılmıştır. Bu sistem kullanılarak sekiz denek ile sanal ve gerçek ortamlarda iki ayrıdeney yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda kuvvet geri beslemenin işi tamamlamazamanı, taşıma sırasındaki çarpışma sayısı, ve pozisyonsal hataları gözle görülür şekildeiyileştirdiği saptanmıştır. Yüksek pozisyonsal hassaslığından dolayı bu sistembağlaşımlı optik mikroçınlayıcı ve bağlaşımlı çınlayıcılı optik dalgakılavuzu (coupledresonator optical waveguide) oluşturmada kullanılabilir. Bildiğimiz kadarı ile bu optikcımbızlamada kuvvet geri beslemenin yararlarını gösteren ilk ve tek deneyselçalışmadır.

Using optical tweezers (OT) and a haptic device we have manipulated microsphereshaving diameters of 3-4 µm floating in a fluid solution in order to form different patternsof coupled optical microresonators. For this purpose, biotin-coated microspheres trappedby a laser beam are steered and bound to an immobilized streptavidin-coated anchorsphere using a piezo scanner controlled by a haptic device. The positions of all spheresin the scene are detected using a CCD camera and a collision-free path for each trappedsphere is generated using an artificial potential field. The forces acting on the trappedparticle due to the viscosity of the fluid and the artificial potential field are scaled anddisplayed to the user through the haptic device for better guidance and control duringsteering. A virtual fixture is used to exert forces on the user to guide him/her whilebinding the trapped sphere to the anchor one such that the desired angle of approach andbinding strength are achieved. The proposed system is used to assemble microsphereswith controlled manipulation and accurate alignment. Our experimental studies in virtualand real environments with 8 human subjects show that haptic feedback significantlyimproves the user performance by reducing the task completion time, the number ofundesired collisions during steering, and the positional errors during binding. Due toachieved high positioning accuracy this technique can find use in constructing coupledmicrosphere resonators or coupled resonator optical waveguides. To our knowledge, thisis the first study in the literature demonstrating the benefits of haptic guidance in opticaltrapping and manipulation.