นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรอาศัยกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM) มาเป็นเวลาหลายปีในการเปิดเผยความลับของวัสดุในระดับนาโน เทคนิคที่ทรงพลังและหลากหลายนี้คิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ที่ ในปี 1985 นำเสนอมุมมอง 3 มิติของพื้นผิวตัวอย่างด้วยความละเอียดในระดับต่ำกว่านาโนเมตร ในขณะที่วิธีการวัดที่แตกต่างกันช่วยให้นักวิจัยสามารถแมปปรากฏการณ์ของวัสดุ
ซึ่งรวมถึง
แรงเสียดทาน นาโนเมตริก ไฟฟ้า คุณสมบัติแม่เหล็กและความร้อน นอกจากนี้ AFM ยังสามารถถ่ายภาพวัสดุประเภทใดก็ได้ในสภาพแวดล้อม รวมถึงภายใต้สุญญากาศและในของเหลว ซึ่งทำให้เทคนิคนี้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในทุกด้านของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ปัญหาคือต้องใช้เวลา ความอดทน
และทักษะในการดึงข้อมูลที่เชื่อถือได้และทำซ้ำได้จากเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงเช่นนี้ รองประธานบริหารฝ่ายพัฒนาธุรกิจและการเติบโตเชิงกลยุทธ์ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ผลิต AFM ชั้นนำของโลกกล่าวว่า “เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอื่น การยอมรับ AFM ในวงกว้างยังคงถูกขัดขวาง
โดยการดำเนินงานและการจัดการที่ซับซ้อน ” “การดำเนินการที่มีประสิทธิภาพและง่ายขึ้นจะช่วยให้ผู้ใช้จำนวนมากขึ้นสามารถใช้ AFM สำหรับความต้องการการวัดรายวันของพวกเขา” ทำงานโดยการสแกนคานยื่นที่มีปลายแหลมมากบนพื้นผิว จากนั้นระบบออปติกจะใช้เพื่อตรวจสอบการโก่งตัวเล็กน้อย
ของคานยื่นที่เกิดจากแรงที่พื้นผิว ก่อนที่จะเก็บรวบรวมข้อมูลใดๆ ผู้ใช้จะต้องใส่ทิปที่ถูกต้องก่อน โดยมักจะใช้แหนบ จากนั้นจัดตำแหน่งด้วยตนเองให้ใกล้กับตัวอย่างมากพอที่คานยื่นจะโต้ตอบกับพื้นผิว ระบบตรวจจับออปติคัลและออปติกการมองต้องอยู่ในแนวเดียวกันอย่างถูกต้อง ในขณะที่ต้องเลือก
หรือปรับพารามิเตอร์ภาพต่างๆ จำนวนหนึ่งก่อนจึงจะเริ่มการสแกนได้การถ่ายภาพที่รวดเร็วทราบดีถึงภาวะแทรกซ้อนเหล่านี้ และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้พยายามทำให้ AFM ใช้งานได้ง่ายขึ้นด้วยคุณสมบัติต่างๆ เช่น เคล็ดลับที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าและอินเทอร์เฟซซอฟต์แวร์แบบชี้และคลิก
แต่เครื่องมือ
ล่าสุดของบริษัทอย่างนั้นแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ โดยผสานรวมวิทยาการหุ่นยนต์และแมชชีนเลิร์นนิงตลอดการออกแบบเพื่อสร้าง AFM เกรดการวิจัยเครื่องแรกที่ทำให้กระบวนการสร้างภาพเป็นไปโดยอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ ดูแลการตั้งค่าทั้งหมดทั้งก่อนและระหว่างการสแกน”
“กระบวนการแบบแมนนวลที่น่าเบื่อและใช้เวลานานทั้งหมดกลายเป็นอดีตไปแล้ว ดำเนินการทั้งหมดโดยอัตโนมัติ”ดูแลการตั้งค่าทั้งหมดก่อนและระหว่างการสแกน กระบวนการด้วยตนเองที่น่าเบื่อและใช้เวลานานทั้งหมดกลายเป็นอดีตไปแล้ว รองประธานบริหารฝ่ายพัฒนาธุรกิจและการเติบโตเชิงกลยุทธ์
ในการเริ่มต้น ใช้ระบบหุ่นยนต์เพื่อเปลี่ยนและแทนที่ทิปของตัวเองโดยอัตโนมัติ สามารถโหลดคานยื่นแบบต่างๆ ได้ถึงแปดตัวลงในกลักกระดาษ แต่ละอันมีรหัส QR กำกับไว้เพื่อให้สามารถระบุได้ง่าย จากนั้นกลไกแม่เหล็กจะติดปลายที่เลือกไว้กับหัว AFM การปรับแนวลำแสงยังเป็นแบบอัตโนมัติ
ด้วยระบบออพติคัลที่ใช้เพื่อหาตำแหน่งทิป และตรวจสอบให้แน่ใจว่าลำแสงเลเซอร์สะท้อนจากคานยื่นไปยังตัวตรวจจับออปติคัล ผู้จัดการฝ่ายเทคนิคของบริษัทในอเมริกากล่าวว่า “การแลกเปลี่ยนทิปอาจทำให้คุณหงุดหงิดมากสำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับ AFM และขั้นตอนการจัดแนวลำแสง
อาจเป็นเรื่องที่น่าเบื่อหน่ายมาก” “การทำกระบวนการเหล่านี้ให้เป็นอัตโนมัติช่วยเพิ่มความง่ายในการใช้งานได้อย่างแท้จริง” ยังมีการออกแบบกล้องคู่ที่ไม่เหมือนใครซึ่งทำให้ง่ายต่อการค้นหาพื้นที่ที่สนใจ กล้องตัวแรกนำเสนอมุมมองของขั้นตอนตัวอย่างทั้งหมด ซึ่งสามารถรองรับได้ถึงสี่ตัวอย่างในแต่ละครั้ง
เมื่ออยู่ใน
ตำแหน่งที่ถูกต้อง ระบบจะนำหัววัดเข้าใกล้พื้นผิวของตัวอย่างโดยอัตโนมัติเพื่อทำการวัด ทิปจะถูกนำทางไปยังภายในไม่กี่ไมครอนของตัวอย่างโดยใช้ระบบออปติก จากนั้นจึงวัดการสั่นเชิงกลที่เกิดขึ้นในคานยื่นได้และป้อนเข้าสู่กลไกการป้อนกลับที่ปรับวิธีการเข้าใกล้พื้นผิวของตัวอย่างอย่างละเอียด
กลไกป้อนกลับนี้ยังช่วยให้เครื่องมือปรับให้เข้ากับประเภทของพื้นผิวที่กำลังสแกนได้โดยอัตโนมัติ อธิบาย “ระบบทำการสแกนภาพรวมทั่วโลก 2-3 ครั้งเพื่อให้เข้าใจภูมิประเทศ จากนั้นจึงตั้งค่าพารามิเตอร์ป้อนกลับเบื้องต้น” “ในระหว่างการสแกน ระบบจะมองไปยังบรรทัดถัดไปของการสแกน
และปรับพารามิเตอร์ป้อนกลับเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของภูมิประเทศ สิ่งนี้ยังช่วยให้การสแกนเร็วขึ้น เนื่องจากระบบสามารถชะลอความเร็วของภาพที่หยาบกว่า แต่สามารถเร่งความเร็วได้เมื่อรู้ว่าบรรทัดถัดไปแบน” ผลลัพธ์ของนวัตกรรมเหล่านี้คือผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องจัดการหรือทำความเข้าใจ
การทำงานภายในของ AFM อีกต่อไปเพื่อรับการวัดคุณภาพสูง และนั่นเป็นประโยชน์อย่างแท้จริงสำหรับนักวิจัยที่มักต้องการข้อมูลการทดลองจากเครื่องมือต่างๆ มากมาย “มันยอดเยี่ยมสำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ร่วมกันขนาดใหญ่ ไม่ว่าจะเป็นในอุตสาหกรรมหรือสถาบันการศึกษา”
เสริม “มันเกี่ยวกับการมุ่งเน้นไปที่การวิจัย และไม่ใช้เวลามากเกินไปในการเรียนรู้วิธีการใช้งานระบบ”
การทำให้กระบวนการด้วยตนเองเป็นไปโดยอัตโนมัติยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจวัดตัวอย่างได้มากขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างยิ่งเมื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์
หลายอย่างขึ้นอยู่กับความเร็วและประสิทธิภาพของการทดลอง ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและผู้ใช้รายแรกในอเมริกาเหนือกล่าวว่า “ความก้าวหน้าในระบบอัตโนมัติของ โดยใช้ปัญญาประดิษฐ์และเทคโนโลยีหุ่นยนต์จะช่วยเพิ่มผลผลิตของเราและขับเคลื่อนนวัตกรรมในสาขานาโนเมตร
