赋能生命科学发展 | Faulhaber微驱动让医用仪器稳定、精准、更可靠！

在从事基因组学和蛋白质组学研究时，如果科学家只需按一下按钮就能获得结果的话，会极大推动药物发现、先进诊断及探索生命本质的步伐。

为此，DeNovix在开发用于生命科学分析的分光光度计时，尤其关注具有快速、简单、以及防止误操作功能的仪器，并在几秒钟内获得准确、可重复的结果。通过FAULHABER微型直流电机，这款DS-11分光光度计每次都能自动为小至0.5微升的样品设置最佳的测量参数，以帮助用户采集到高质量的数据集。

在分光光度法中，样品吸收的光量和光波长可显示其中存在的分子类型和浓度。DS-11等微量分光光度计可让研究人员快速获得准确的结果，并通过最少的样本量来更快地解决研究人员的问题。

为了获得最佳的吸光度测量，必须根据每个样品的大小和特性来调整光路长度 (OPL)。不幸的是，这些计算中通常使用的转换系数中假设OPL为10毫米，则必须针对每个样本和每个测量来调整OPL，然后按照比例来提供真实的值。OPL越准确、重复性越高，分析结果就越准确。DS-11的关键创新是DeNovix的SmartPath技术，它能自动优化OPL，以确保获得可靠、可用的结果。

提升设计效率，简化设计流程

从一开始，DeNovix团队就将DS-11设计得简洁方便，易于使用。该仪器采用Android操作系统，用于触摸屏操作和分析，因此不需要额外的电脑操作。它由一个20 x 33厘米的底座和用于微量和比色皿模式的样品架组成。在微量设计中，光纤将仪器底座上的氙灯信号传输到样品支架的顶端。

在测量过程中，用户放下一个铰链式测量臂，使光纤电缆与样品接触。当触摸屏幕后，分析算法、开始运行，在整个数据采集期间不断微调支架位置。

DS-11分光光度计可提供高动态范围测量（由 DeNovix 提供）

电磁能量（190到840纳米）通过光纤和光学结点传播到分光计中，然后由具有2048像素的线性CCD探测器读出计数以便进行分析。

SmartPath技术使用初始吸光度测量来调整样品架的位置，从而优化OPL。该系统基于复杂的算法，但若要高效工作，还需要采用精确闭环光电定位系统，以便在几秒钟内进行多次迭代。然而，其挑战性似乎还不够，DeNovix团队又为自己设定了一个雄心勃勃的产品开发时间表，他们需要创新工程，也需要高效的设计。

来自氙闪光灯的激发信号穿过样品，

通过一系列光学连接传输到分光计中。（图片由DeNovix提供）

第一步是通过放宽限制来简化设计过程，他们并为尝试在三个维度优化OPL，而是将重点放在沿Z轴定位的样本支架，同时让它在其他维度中“浮动”。这从最终设备中移除了组件，从而降低了成本，缩短了集成时间，并减少了故障点。

对于Z轴定位，该设计通过以闭环反馈运行的伺服电机来驱动细螺纹螺杆。行星齿轮箱通过一定的减速比使电机的一次旋转来可对应螺杆的部分旋转。高分辨率磁性编码器可提供反馈，让系统迭代SmartPath算法并确定最佳OPL。

Faulhaber电机：简化设计和集成过程实现快速、稳定、可靠的定位

DeNovix团队需要一种运动解决方案，能可靠且经济地完成任务，同时该解决方案还要确保他们专注于核心价值主张（分光光度计），并尽快将其产品推向市场。该应用需要以微米级的精度在短时间内实现间歇性的快速运动。经过研究和测试，他们最终选择了FAULHABER 生产的无芯直流有刷电机模块和编码器，以及一个全塑料行星减速箱。

Faulhaber有刷电机大大简化了设计和集成过程。因为标准的无刷伺服电机会更复杂，它需要八个连接：三个电源相，三个用于霍尔效应传感器，以及两条线路，用于给电子设备供电。

而有刷电机只需要两个连接点，这使得驱动方案、组装和整个系统更加简单。

“使用有刷直流电机确实让我们的世界变得很简单。”DeNovix工程经理Dave Ward说道，“这也意味着我们拥有传统制动能力，我们想要两全其美。被动系统在进行测量时很稳定，这让我们开发出一种主动制动算法。这种组合让我们获得仪器所需的功能：快速、可重复、精确运动。”

图片由DeNovix提供

很多设计师认为无刷电机的性能最好，因此这成为了他们的首选。然而，它并不一定总是理想的解决方案。确实，有刷电机最终可能会因为电刷和换向器之间的磨损而出现故障，但这是一个时间问题。具有低电感的无芯直流电机可持续运行数千小时，远远超出大多数应用的需求。DS-11的间歇性运动使得运动系统的占空比较低，助于有刷直流电机解决这一问题。

电机的选择还帮助团队实现了另一个设计目标：运行速度。单独调整样品架的Z轴位置需要 0.25到0.5秒，总数据采集时间不足4秒。通过选择无芯电机，DeNovix团队将惯性降至最低，这使得运动轴能够快速可靠地定位，而且不会出现过冲或振铃情况。“这就是电机的用武之处。”DeNovix的业务总监Kevin Kelley说道。“系统做出大量实时决策，电机的反应速度使其能够精确控制路径长度，这是仪器最关键的部分。”

集成模块将故障风险降至最低

一旦团队确定了需求，下一个问题就是如何采购。他们从商用现成组件开始，选择了FAULHABER提供的完整的预集成齿轮电机（可立即安装），从而减轻了供应商的麻烦。Kelley说：“最大的挑战是尽快将产品推向市场，因此可以使用多个原型电机组件进行快速评估，这使得项目的这一部分处理起来更容易。”电机公司在原型阶段的齿轮轴上加工扁平材，以辅助组装。现在仪器已达到生产量，扁平材可在工厂加工。

我们交付的运动模块让DeNovix能够专注于光学部分，并将运动设计留给我们。它还简化了制造过程，并消除了集成过程中运动部件损坏的风险。“我们不想零散地组装，所以内置封装很重要。”Ward说道。

Faulhaber直流微电机系列1516 ... SR

借助由精密运动系统驱动的SmartPath技术，DS-11可使用低至0.03毫米的OPL测量样品。这与标准10毫米等效OPL下的500个吸光度单位相关，这表示BSA蛋白质浓度为750毫克/毫升或dsDNA浓度为25000 纳克/微升。该仪器由可靠的运动系统来驱动，其重复性优于1%。

该系统通过了严格的寿命测试。到目前为止，DeNovix尚未在现场收到电机故障报告，这在一定程度上归功于运动控制模块的优异性能。