Przenośny mikroskop WiFi ESPressoScope

ESPressoscope to mały, przenośny i tani mikroskop którego obrazy są przesyłane bezprzewodowo poprzez sieć WiFi. Jest zdolny do obserwacji nawet o rozdzielczości 3-4 mikronów.

Wszystkie podane informacje bazują na projekcie Matchboxscope. Jego celem jest zaprojektowanie różnych wariantów małych mikroskopów, każdy doskonalony pod względem jakiegoś konkretnego badania. Na ten moment dostępne warianty są:

• ESPressoscope: przenośny mikroskop jasnego pola przeznaczony do wykonywania mikrografii w terenie i w inkubatorach komórkowych.
• Anglerfish: mikroskop podwodny został zaprojektowany do badania wzrostu biofilmu pod powierzchnią wody, co pozwala uzyskać nowy wgląd w ekosystemy wodne.
• ESPlanktoscope: uproszczony mikroskop przepływowy ze zintegrowaną pompą perystaltyczną. Oferuje ekonomiczne rozwiązanie do wizualizacji dynamicznych procesów w płynach.
• ESPectrophotometer: Kompaktowy i cyfrowy, niedrogi spektrometr światła widzialnego, przeznaczony do zastosowań wymagających precyzyjnych pomiarów spektroskopowych w terenie.
• HoloESP: jest to kompaktowy i ekonomiczny bezsoczewkowy mikroskop holograficzny.

Materiały i narzędzia

Części

Do zbudowania naszego mikroskopu będziemy potrzebować tylko klucz imbusowy sześciokątny oraz lutownice. Po za tym trzeba będzie kupić:

Czyli po zsumowaniu wszystkiego razem z kosztem druku 3D, to mniej więcej nasz mikroskop będzie kosztował trochę ponad 100 złotych (i będziemy mieć mnóstwo zapasowych części).

Dodatkowo opcjonalnie możemy dokupić kilka elementów które nam ułatwią prace z mikroskopem:

• szkiełka podstawowe (25x76mm),
• szkiełka nakrywkowe (22x22mm),
• kabel USB C,
• bateria USB.

Podczas montażu mikroskopu będziemy potrzebować:

• lutownice,
• klucz imbusowy 3mm,
• małe szczypce,
• klej kropelka.

Jak zawsze, też oferujemy możliwość zakupu pełnego zestawu w naszym sklepie. Oprócz wymienionych części, w naszym zestawie dodatkowo znajdziesz:

• wszystkie elementy już wydrukowane w 3D (w dowolnym kolorze),
• gwinty już wmontowane w główny korpus mikroskopu,
• kontroler Sense Seeeduino XIAO ESP32 S3 z wgranym oprogramowaniem,
• szkiełka podstawowe oraz nakrywkowe.

Do roboty

Jeśli już mamy wszystko na stanie to możemy zabrać się za drukowanie oraz instalacje oprogramowania.

Drukowanie części

Naszą wersja drukowanych części możesz pobrać na naszej kopii z repozytorium projektu. Zawiera wszystkie potrzebne części do zbudowania mikroskopu z kilkoma poprawkami jak na przykład siatkę wentylacyjną na dolnej pokrywce oraz wgłębienia do montażu gumowych nóżek. W sumie trzeba wydrukować (w PLA lub ABS) elementy wymienione w tabelce poniżej:

W sumie 9 części które, w zależności od ustawień jakości i prędkości naszej drukarki zajmie nam 4-5 godziny wydrukować. Jak już będą wszystkie gotowe to będziemy mieć zestaw podobny do tego.

Zaprogramowanie płytki

ℹ️ Pomiń ten krok jeśli pracujesz z zestawem zakupionym w naszym sklepie. W nim firmware jest już zainstalowany na dostarczonej płytce. Można wykonać opisane kroki do aktualizacji oprogramowania.

W między czasie, podczas drukowania, możemy zabrać się za zainstalowanie oprogramowania (tzw. firmware) na płytce Sense Seeeduino. W tym celu należy wykonać kolejne kroki:

1. podłącz kamerę za pomocą odpowiedniego portu USB (danych),
2. przejdź na stronę z narzędziem do instalacji (używając przeglądarki Chrome lub Edge),
3. wybierz płytkę Xiao „ESP32 Camera Simple Webcam Server for Seeed XIAO Sense”.
4. Potem naciskamy w przycisk Connect i wybieramy opcję podobną do JTAG/serial debug unit (COMx).
5. Jeśli połączenie jest poprawne pokaże się okno z opcją do wykonania instalacji (INSTALL ESP32S2-XIAOSENSE). Po kliknięciu potwierdzamy instalacje i cierpliwie czekamy.
6. Po zakończeniu odłącz płytkę.

Montaż elementów płytki (oraz test kamery)

Po instalacji już możemy połączyć wszystkie elementy do kontrolera:

1. Dodaj antenę Wi-Fi do płytki, klikając ją razem w gniazdo anteny.
2. Przymocuj kamerę do płytki.
3. (Opcjonalnie) Dodaj ślepą kartę SD (albo prawdziwą jeśli masz jakąś starą) do czytnika karty żeby kamera lepiej utrzymywała się w poziomie.

Potem podłącz płytkę jeszcze raz do komputera lub do innego źródła zasilania i odczekaj minutę. Płytka Seeeduino ma wbudowane w sobie technologie Bluetooth oraz WiFi. Wgrany firmware ustawia sieć WiFi żeby działał jak serwer który przesyła obrazy z kamery.

W twoich sieciach WiFi, powinien się pojawić nowy punkt WiFi dostępu nazwie podobnej do „Matchboxscope_XYZ” lub „openUC2xSeeed”. Połącz się z tym punktem dostępu i potem w przeglądarce (np. Chrome) przejdź do strony „192.168.4.1„. Pojawi się na ekranie portal z różnymi opcjami kontroli kamery oraz możliwością rozpoczęcia publikacji obrazu. Po naciśnięci w przeglądarce na żywo powinien się pojawić obraz z naszej kamery.

⚠️ Podczas połączenia z tym punktem nie będzie połączenia z internetem. Jeśli łączysz się z komórki z Android upewnij się, że dane mobilne są wyłączone.

Przygotowanie kamery

ℹ️ Pomiń ten etap jeśli pracujesz z zestawem zakupionym w naszym sklepie. W nim soczewka już jest umocowana do uchwytu.

Teraz kolej na najtrudniejszy krok, czyli przymocowanie soczewki do uchwytu obiektywu. Podczas tego etapu musimy bardzo uważać żeby nie uszkodzić ani soczewki ani płytki podczas wykonania następnych kroków:

1. Za pomocą kombinerek i naszych palców odkręcamy soczewkę od płytki z kamerą.
2. Na górnej wewnętrznej krawędzi otworu w uchwycie obiektywu dajemy kropelkę kleju i rozciągamy ją po całej krawędzi.
3. Wkładamy do środka odkręconą soczewkę tak żeby lekko wystawała z otworu i czekami minutę.

Teraz mamy już obiektyw gotowy do przykręcenia do mikroskopu.

Montaż dolnego korpusu mikroskopu

Teraz już mamy wszystko gotowe żeby rozpocząć skręcanie wszystkich części. W pierwszym etapie przygotujemy dolną część mikroskopu z głównym korpusem, płytką Sense Seeeduino oraz zmontowaną soczewką. Do tego należy wykonać następne kroki ⤵️

1. Zaczniemy od przygotowania pokrywki dolnej przyklejając 3 gumowe nóżki do niej i przygotowując 4 śruby M3x06mm (czyli najmniejsze).
2. ℹ️Możesz pominąć cały ten krok jeśli pracujesz z zestawem zakupionym w naszym sklepie. Do kolejnego kroku będziemy potrzebować lutownice oraz 3 gwinty M3L6OD4.
   • Podgrzewamy lutownice do około 230 stopni. 🔥 Ostrzeżenie (może niepotrzebnie ale zawsze warto): rozgrzana lutownica bardzo parzy.
   • Potem nałóż gwinty na otwory w głównym korpusie mikroskopu.
   • Naciskając lekko na gwinty lutownicą, wtopią się w korpus.
   • Jak będzie cały gwint w środku, podtrzymujmy gwint na przykład kombinerkami i wyciągnij z niego lutownice.
3. Teraz umieszczamy płytkę z kamerą do korpusu, nakładamy na korpus pokrywę dolną i przykręcamy ją za pomocą 4-rech śrubek M3x6mm.
4. W ostatnim kroku przygotowaną część z uchwytem z przyklejoną soczewką przykręcamy do górnej części głównego korpusu mikroskopu za pomocą 2 śrubek M3x06mm.

Montaż górnej części mikroskopu

Ten etap będzie już dużo prostszy. Tym razem trzeba tylko przykręcić do siebie płytkę obserwacji, z uchwytem lampki i do niego lampkę. W tym celu należy wykonać następne kroki:

1. Najpierw żeby ułatwić sobie trochę montaż wkręcamy parę milimetrów 2 śruby M3x12mm do płytki obserwacyjnej (w części której ma łuski).
2. Potem dopinamy uchwyt lampki do tych śrubek i dokręcamy.
3. Wkładamy lampkę i mocujemy ją jedną śrubką M3x12mm.
4. Na koniec bierzemy 3 śrubki M3x20mm wkładamy je do otworów w płytce obserwacji. Na te śrubki nakładamy sprężyny. Teraz górna część już jest gotowa do

Teraz mamy też górną część mikroskopu gotową do scalenia.

Połączenie górnej i dolnej części mikroskopu

W tyn ostatnim etapie tylko połączymy nasz mikroskop w kupę. Wystarczy teraz tylko wkręcić (około pól centymetra) śrubki M3x20mm do dolnej części mikroskopu uważając żeby nam nie uciekały sprężyny. I możemy zacząć nasze badania!

Instalacja rozszerzenia

Jeśli chcesz uzyskać jeszcze większe powiększenie w mikroskopie możesz dodatkowo zainstalować rozszerzenie do obiektywu. Montaż jest bardzo prosty. Jeśli już masz zmontowany mikroskop należy wykonać następne kroki:

1. Kluczem imbusowym, odłącz górną i dolną część mikroskopu.
2. Odkręć obiektyw od korpusu i usuń śrubki.
3. Przykręć dwie śrubki M3x12mm do obiektywu.
4. Przykręć obiektyw do rozszerzenia a następnie do korpusu.
5. Połącz ponownie górną i dolną część mikroskopu (nie zapomnij o sprężynach 🙂 ).

Pierwsze uruchomienie

Gratulacje właśnie skończyłeś budować własny przenośny mikroskop z połączeniem WiFi. Teraz trzeba go włączyć. W podobny sposób jak podczas wgrywania oprogramowania do płytki, teraz należy:

1. Podłączyć mikroskop do źródła zasilania. Może to być prawie każda ładowarka do komórki (polecany te z opcją szybkiego ładowania) lub przenośna bateria USB.
2. Poczekaj kilka sekund…
3. W twoich sieciach WiFi 🛜, powinien się pojawić nowy punkt dostępu nazwie podobnej do „Matchboxscope_xyz”. Połącz się z tym punktem dostępu.
   • ⚠️ Jeśli łączysz się z komórki pamiętaj wyłączyć dane mobilne.
4. W dowolnej przeglądarce (np. Chrome) przejdź do strony „192.168.4.1„.
5. W przeglądarce powinna się pojawić aplikacja webowa mikroskopu.
6. Żeby zacząć otrzymywać obrazy z niego należy nacisnąć przycisk „Start stream”, zaznaczony w obrazku poniżej.
7. Połóż dowolny okaz pod mikroskopem.
8. Zakręcaj/odkręcaj śruby (te ze sprężynami) dopóki ustawi się poprawna ostrość.

Pierwsza obserwacja z mikroskopu zaliczona! Możesz teraz ją zapisać naciskając „Get still” albo nawet. Jeśli chcesz możesz nam ją też podesłać i bardzo chętnie ją opublikujemy.

Instrukcje do oprogramowania Mikroskopu

Nasz mikroskop jest równocześnie małym serwerem, czyli komputerem do którego możemy się połączyć przez internet, a tak naprawdę przez sieć którą tworzy nasz mikroskop. Po połączeniu się z tym serwerem zobaczymy portal z dużą ilością opcji w menu po lewej i kilka przycisków w górnej częśći niestety wszystkie po angielsku. W skrócie opisujemy naj ważniejsze z nich.

50 rzeczy do zbadania pod twoim mikroskopem

Jeśli brakuje Ci pomysłów z rzeczami które możesz zbadać mikroskopem poniżej znajdziesz listę różnych obiektów które możesz znaleźć w domu i okolicy i sprawdzić jak wyglądają z bliska.

Rośliny

1. Liść drzewa
2. Płatek kwiatu
3. Korzeń rośliny
4. Pyłek kwiatów
5. Mech
6. Zarodniki grzybów
7. Glony ze stawu
8. Kora drzewa
9. Małe nasiona (np. trawy lub maku)
10. Puch z kwiatu mniszka lekarskiego

Owady i Małe Zwierzęta

1. Skrzydło owada (np. muchy lub biedronki)
2. Noga owada
3. Czułek mrówki
4. Egzoszkielet owada (pozostałości po cykadzie)
5. Skorupka jajka owada
6. Kokon motyla
7. Łuski motyla
8. Włos zwierzęcia (kot, pies, itp.)
9. Pióro ptaka
10. Pajęczyna

Materiały i Powierzchnie

1. Włókno bawełny
2. Papier
3. Tkanina (np. wełna lub jedwab)
4. Sznurek lub nitka
5. Sól kuchenna
6. Piasek z ogrodu
7. Ziemia
8. Kryształki cukru
9. Kryształki soli
10. Gumka do ścierania

Żywność

1. Skórka cebuli
2. Ziarenka ryżu
3. Kawałek chleba (do obserwacji drożdży)
4. Miąższ owocu (np. jabłko lub banan)
5. Fragment warzywa (np. marchew)
6. Skorupka jajka
7. Szpinak
8. Drożdże (rozpuszczone w wodzie)
9. Mąkę
10. Włókna gotowanego mięsa

Codzienne przedmioty

1. Fragment gąbki
2. Moneta (do obserwacji detali i zużycia)
3. Włókno ludzkiego włosa
4. Kawałek plastiku
5. Fragment stłuczonego szkła
6. Kurz domowy i w nim żyjące roztocza
7. Fragment łuszczącej się farby
8. Odcisk palca na powierzchni
9. Grafit z ołówka
10. Kłaczek z ubrań

Trochę historii

Jak udało ci się uruchomić twój mikroskop EspressoScope to masz w swoich rękach własny jednosoczewkowy mikroskop. Pierwszy taki mikroskop został zbudowany w 1674 r. przez Anton van Leeuwenhoeka. Był to holenderski urzędnik, handlowiec i podróżnik który, w wolnym czasie zajmował się szlifowaniem szkieł do swoich mikroskopów. W 1673 jego pierwsze obserwacje przedstawił w Royal Society w Londynie jego przyjaciel Regnier de Graaf, Holenderski lekarz i anatom. Opisał w nich strukturę pleśni i żądło pszczoły. Od tego czasu nieustannie udoskonalał swoje mikroskopy przez całe życie.

Chociaż nie miał wykształcenia uniwersyteckiego ani znajomości obcych języków, został przyjęty jako członek Royal Society w 1680 roku, a następnie do Académie des Sciences w Paryżu w 1699 roku. Obecnie jest uznawany jako ojciec mikrobiologii i prawdopodobnie pierwszą osobą, która zobaczył mikroorganizmy, w tym bakterie.

W ciągu swojego życia stworzył ponad 500 soczewek. Obserwacje prowadził za pomocą prostych mikroskopów, które sam budował (tak jak teraz i ty). Po śmierci przekazał w testamencie 26 mikroskopów do Royal Society, które nigdy nie zostały użyte, a sto lat później zaginęły. Dwa lata po śmierci jego córki Marii w 1749 r. sprzedano partię ponad 350 mikroskopów, a także 419 soczewek.

Najpotężniejszy z zachowanych do dziś instrumentów ma powiększenie 275 razy i zdolność rozdzielczą 1,4 μm. Nie pozostawił on żadnych wskazówek na temat swoich metod wytwarzania soczewek i dopiero kilkadziesiąt lat po jego śmierci tak potężne urządzenia jak jego mikroskopy stały się ponownie dostępne. Nie wiadomo, w jaki sposób oświetlał obserwowane obiekty.

Jak to działa

Jednosoczewkowy mikroskop, zwany także mikroskopem prostym, działa na zasadzie powiększania obrazu przy użyciu jednej soczewki. To trochę bardziej skomplikowane niż lupa, ale nadal działa na podobnej zasadzie i do jego działania jest tylko potrzebne:

1. Światło: Światło pada na przedmiot, który chcesz zobaczyć, a następnie przechodzi przez soczewkę mikroskopu.
2. Soczewka: Soczewka to specjalne wypukłe szkło, które ma kształt przypominający półkulę. Kiedy światło przechodzi przez soczewkę, załamuje się (zmienia kierunek) i zbliża się do siebie, co sprawia, że obraz staje się większy. W matematyce mówimy, że soczewka ma ogniskową. Ogniskowa to odległość, w której soczewka zbiera światło w jeden punkt, zwany ogniskiem.
3. Powiększenie: Powiększenie mikroskopu można obliczyć, dzieląc odległość, w jakiej oko normalnie widzi wyraźnie (czyli około 25 cm), przez ogniskową soczewki. Na przykład, jeśli ogniskowa soczewki wynosi 0.5 cm, to powiększenie wynosi 25 cm / 0.5 cm = 50 razy. To znaczy, że obraz, który widzisz, jest 50 razy większy niż rzeczywisty przedmiot.
4. Matrycą światłoczułą wewnątrz aparatu: albo twoje oko w przypadku zwykłych mikroskopów. Kiedy patrzysz przez mikroskop, widzisz powiększony obraz przedmiotu.

Dzięki jednosoczewkowemu mikroskopowi możesz zobaczyć szczegóły przedmiotów, które są zbyt małe, by dostrzec je gołym okiem. W ten sposób odkrywasz cały nowy świat mikroskopijnych szczegółów!