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I motori C.C. azionano spettrofotometri

In spettrofotometria, la lunghezza d’onda e la quantità della luce assorbite da un campione rivelano il tipo e la concentrazione delle molecole presenti. Gli spettrofotometri per microvolumi come il DS-11 consentono ai ricercatori di ottenere risultati veloci ed accurati, di usare una minima quantità di campione e di rispondere più rapidamente alle domande poste nell'area di ricerca interessata.

Per una misura ottimale dell’assorbanza, la lunghezza del cammino ottico (O.P.L. dall’inglese “Optical Path Length”) deve essere dimensionata in base alla grandezza e alle caratteristiche di ogni campione. Sfortunatamente, i tipici fattori di conversione usati in questi calcoli presuppongono una lunghezza di cammino ottico di 10 mm. Per questo motivo, la lunghezza di cammino ottico deve essere regolata per ogni campione e ad ogni misura e poi deve essere messa in scala per fornire il valore reale. Quanto più la lunghezza del cammino ottico è accurata e ripetibile tanto più accurati saranno anche i risultati dell’analisi. L’innovazione chiave del DS-11 è la tecnologia SmartPath di DeNovix che ottimizza automaticamente la lunghezza del cammino ottico per garantire risultati affidabili e fruibili.

L’efficienza del design

Fin dal principio, il team di DeNovix ha progettato il DS-11 affinché fosse facile da usare. Lo strumento presenta un sistema operativo Android con funzionamento touchscreen e la possibilità di svolgere analisi senza la necessità di un PC aggiuntivo. È costituito da una base che misura 20 x 33 cm con portacampioni predisposti per microvolumi e cuvette. Nel design per microvolumi, una fibra ottica trasporta il segnale da una lampada allo xeno situata nella base dello strumento fino all’estremità del portacampione.

Durante la misura, l’utente abbassa un braccio di misura articolato che mette a contatto un cavo a fibra ottica con il campione. Toccando lo schermo, l’algoritmo di analisi inizia ad eseguire i calcoli, riadattando costantemente la posizione del portacampioni durante l’intero periodo di acquisizione dati.

I motori C.C. azionano spettrofotometri
Lo spettrofotometro DS-11 produce misure ad alto range dinamico (per gentile concessione di DeNovix)

L'energia elettromagnetica (da 190 a 840 nm) passa attraverso fibre e collegamenti ottici propagandosi allo spettrometro, dove un rivelatore CCD lineare da 2.048 pixel esegue la lettura dei conteggi per le analisi.

La tecnologia SmartPath utilizza una misura iniziale dell’assorbanza per adattare la posizione del portacampioni al fine di ottimizzare la lunghezza del cammino ottico. Il sistema si basa su sofisticati algoritmi ma, per funzionare efficacemente, essi necessitano di un sistema di posizionamento opto-meccanico a circuito chiuso preciso capace di iterazioni multiple in pochi secondi. Come se questo non fosse già abbastanza impegnativo, il team di DeNovix si era prefissato anche delle scadenze ambiziose per lo sviluppo del prodotto. Per farlo avevano bisogno di un’ingegneria innovativa ma anche di un design efficiente.

Un primo passo è stato quello di semplificare il processo di progettazione limitandone i vincoli. Anziché cercare di ottimizzare la lunghezza del cammino ottico in tre dimensioni, il team si è concentrato sul posizionamento del portacampioni lungo l’asse z lasciandolo invece “fluttuare” nelle altre dimensioni. Questo ha consentito di rimuovere dei componenti dal dispositivo finale riducendo così i costi, il tempo di integrazione e i punti di vulnerabilità.

Per il posizionamento sull’asse z, il design prevede l’uso di un servomotore con feedback a circuito chiuso per far ruotare una vite a filettatura fine. Grazie ad un riduttore planetario, viene introdotto un rapporto di riduzione per cui a una rotazione del motore corrisponde una frazione di rotazione della vite. Un encoder magnetico ad alta risoluzione fornisce un feedback che consente al sistema di iterare l'algoritmo SmartPath e determinare la lunghezza di cammino ottico ottimale.

I motori C.C. azionano spettrofotometri
(Per gentile concessione di DeNovix)

La scelta del motore

Il team di DeNovix aveva bisogno di una soluzione di movimento che svolgesse tale compito in maniera affidabile ed economica e, nel frattempo, gli consentisse di concentrarsi sul proprio obiettivo fondamentale, lo spettrofotometro, e su come avere un prodotto pronto da lanciare sul mercato il più velocemente possibile. L’applicazione richiedeva movimenti intermittenti brevi e veloci, con precisione a livello di micron. In seguito alla fase di ricerca e test, la scelta è ricaduta su un modulo con motore a spazzole C.C. coreless, dotato di un encoder e di un riduttore planetario completamente in plastica, fabbricato da FAULHABER.

Questo motore a spazzole ha permesso di semplificare notevolmente il processo di progettazione e di assemblaggio. Con un servomotore brushless CC standard sarebbe stato più complicato. Quest’ultimo avrebbe richiesto otto collegamenti: tre fasi per l’alimentazione, tre per i sensori ad effetto Hall e due linee per alimentare l’elettronica. Al contrario, un motore a spazzole ha bisogno solo di due punti di collegamento e questo agevola lo schema, l’assemblaggio e in generale l’intero sistema di azionamento.

“La scelta di un motore C.C. a spazzole ha veramente semplificato il nostro lavoro” afferma Dave Ward, responsabile tecnico di DeNovix. “Questo significava anche poter avere capacità di frenata tradizionali. Volevamo il meglio di entrambi i mondi: un sistema passivo che fosse stabile durante le misure e che ci permettesse di sviluppare un algoritmo di frenata attivo. Il connubio di questi due aspetti ci ha dato quello di cui lo strumento aveva bisogno: un movimento rapido, ripetibile e preciso”.

Molti progettisti presuppongono che un motore brushless dia le migliori prestazioni e per questo lo considerano la loro prima scelta. Tuttavia questa non è sempre la soluzione ideale. Sebbene sia vero che un motore a spazzole alla fine probabilmente smetterà di funzionare per via dell’usura tra spazzole e commutatore, bisogna chiedersi dopo quanto tempo. I motori C.C. coreless a bassa induttanza sono in grado di continuare a funzionare anche dopo molte migliaia di ore, ben oltre quello di cui la maggior parte delle applicazioni avrà mai bisogno. I movimenti intermittenti del DS-11 danno al sistema di movimento un basso duty cycle, per cui basta un motore C.C. a spazzole per risolvere il problema.

La scelta del motore ha anche aiutato il team a raggiungere un ulteriore obiettivo di progettazione: la velocità di funzionamento. Le singole regolazioni per il posizionamento del portacampioni sull’asse z durano dai 0,25 ai 0,5 secondi, dunque il tempo di acquisizione dati totale è pari a meno di 4 s. La scelta di un motore coreless ha consentito al team DeNovix di ridurre al minimo l’inerzia permettendo all’asse di movimento di posizionarsi in maniera rapida e affidabile senza overshoot o ringing. “È qui che entra in gioco il motore”, asserisce Kevin Kelley, Business Director di DeNovix. “Il sistema prende una serie di decisioni in tempo reale e la velocità di reazione del motore gli permette di controllare precisamente la lunghezza del cammino, che rappresenta la parte più cruciale dello strumento”.

I moduli integrati

Una volta che il team aveva deciso cosa volesse, la domanda successiva era come ottenerlo. Inizialmente hanno provato con componenti commerciali standard ma poi hanno riversato il problema sul loro fornitore scegliendo un motoriduttore completo preintegrato di FAULHABER che arriva alla consegna già pronto per essere installato. “La sfida maggiore consisteva nel cercare di ottenere un prodotto pronto per la commercializzazione nel minor tempo possibile, pertanto il fatto di avere diversi prototipi di gruppi motore disponibili per fare una rapida valutazione ha reso questa parte del progetto più facile da affrontare”, dice Kelley. Nella fase di prototipazione, l’azienda produttrice di motori ha realizzato degli appiattimenti sull’albero del riduttore per semplificare l’assemblaggio. Ora che lo strumento ha raggiunto la produzione in serie questi appiattimenti vengono realizzati in stabilimento.

I motori C.C. azionano spettrofotometri
Il segnale di eccitazione proveniente da una lampada flash allo xeno passa attraverso il campione e quindi viene trasmesso allo spettrofotometro grazie ad una serie di collegamenti ottici. (Per gentile concessione di DeNovix)

Con l’acquisto di un modulo di movimento finito, DeNovix si è potuta concentrare sull’ottica lasciando a noi la progettazione del movimento. Questo ha velocizzato anche la produzione e ha eliminato il rischio di danneggiare i componenti di movimento durante l’assemblaggio. “Volevamo evitare di costruire il dispositivo pezzo per pezzo”, afferma Ward, “per questo era importante avere un modulo integrato”.

Grazie alla tecnologia SmartPath azionata da un movimento di precisione, il DS-11 è in grado di misurare campioni con lunghezze di cammino ottico fino a 0,03 mm. Questo è correlato a 500 unità di assorbanza con una lunghezza di cammino ottico standard di 10 mm, che corrisponde a una concentrazione di proteine BSA di 750 mg/ml o una concentrazione di dsDNA di 25.000 ng/µl. Alimentato dall'affidabile sistema di movimento, lo strumento dimostra una ripetibilità migliore dell’1%.

Il sistema ha superato la rigorosa fase dei test di durata operativa. Ad oggi, DeNovix non ha riportato nessun guasto dei motori sul campo: un dato il cui merito viene attribuito in parte alle prestazioni del modulo per il controllo del movimento.

FAULHABER SR
1516 ... SR
Commutazione metalli preziosi
Scheda tecnica (PDF)
Caratteristiche principali
Diametro:
8 ... 22 mm
Lunghezza:
15.8 ... 32.2 mm
Tensione nominale:
3 ... 36 V
Velocità fino a:
17000 min⁻¹
Coppia fino a:
10 mNm
Potenza di uscita continua fino a:
8.5 W
Dettagli prodotto

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