《Beilstein Journal of Nanotechnology》：afspm: A framework for manufacturer-agnostic automation in scanning probe microscopy
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扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)是一种有价值的技术，可用于研究材料表面的物理特性。然而，其吞吐量受到运行实验的耗时性和所需的大量领域知识的限制。最近的研究显示了多种形式的自动化在改善这一问题上的价值，但由于它们难以
扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)是一种有价值的技术，可用于研究材料表面的物理特性。然而，其吞吐量受到运行实验的耗时性和所需的大量领域知识的限制。最近的研究显示了多种形式的自动化在改善这一问题上的价值，但由于它们难以与除开发时针对的SPM系统之外的系统集成，其使用受到限制。研究人员构建了一个框架，使得用该框架编写的任务能够在多个SPM系统上运行。该框架定义了在独立软件进程之间传递的通用命令和数据结构，最终的SPM命令在通过特定于SPM的翻译器后发送至显微镜。配置文件的使用使自动化逻辑与实验细节进一步解耦。中介层允许后台任务间歇性地控制显微镜，修复检测到的实验问题。该框架已在多种SPM控制器上测试，验证了其能够与所有现有脚本接口类型集成。研究人员运行了一个自动化实验，以确保在集成测试之外的整体运行。
**论文解读文章**
**研究背景、存在问题与研究动机**
扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)通过原子级尖锐的探针在样品表面扫描，测量一种或多种性质，从而实现原子级成像、光谱分析乃至原子尺度制造。然而，其吞吐量受到两方面限制：第一，传统实验需要研究者持续关注，频繁监视和调整SPM参数；第二，实验决策局限于单一研究者的选择，限制了对分析对象的统计理解；第三，实验准备、运行和分析需要大量领域知识与专业技能。近年来，研究者探索了多种SPM自动化方法，包括探针尖端调节、表面结构分类（如原子、分子或缺陷检测）、实验设计（利用统计驱动决策）以及主动学习和假设学习等。尽管取得了有前景的结果，但一个普遍问题是可重用性：多数自动化代码针对特定SPM控制器的命令和数据结构编写，移植到另一控制器耗时且困难。为应对这一挑战，研究人员开发了用于SPM的可重用、可共享自动化脚本的软件框架，命名为afspm（Automation Framework for SPM的缩写）。该框架提供制造商无关的基础，使得自动化进程能够更容易地在不同SPM系统间利用。研究成果发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》上。
**主要关键技术方法（不超过250字）**
afspm框架采用进程间通信(inter-process communication, IPC)协议，定义通用命令和数据结构，通过翻译器（translator）将其转换为制造商特定命令。支持三种脚本接口类型：IPC接口、外部库接口和内部接口，对应不同控制器实现方式。使用配置文件（configuration file）将实验特定参数与算法逻辑分离，并在启动时实例化每个脚本的独立进程。中介层（mediation layer）管理显微镜控制权，维护实验问题列表，允许背景脚本间歇性地接管显微镜以修复检测到的问题。框架核心用Python编写，但支持其他语言的脚本通过IPC通信。验证实验在Asylum Research MFP-3D-BIO AFM系统上进行，使用CD压模样品和MikroMasch HQ:NSC15/Al AFM探针（力常数40 N/m，共振频率325 kHz），在环境条件下以振幅调制原子力显微镜(amplitude-modulated atomic force microscopy, AM-AFM)模式运行。
**研究结果**
**系统接口结果(System interfacing results)**
研究人员为四种不同控制器开发了翻译器：SPECS Nanonis（通过TCP IPC接口）、Scienta Omicron SXM（通过外部库接口）、GXSM（通过内部Python脚本接口）以及Asylum Research（通过内部IGOR接口与第三方工具“ZeroMQ-XOP”通信）。利用翻译器测试套件验证了所有基本的显微镜操作（开始/停止二维扫描、一维光谱，设置扫描参数、探针位置和z控制参数）。除了Scienta Omicron系统因版本限制未能支持停止扫描/光谱操作外，其余均通过测试。这证明了框架能够与所有现有脚本接口类型集成。
**运行自动化实验(Running an automated experiment)**
为验证框架全面功能，研究人员实施了漂移校正实验。实验分为两个阶段：第一阶段（约2小时）关闭校正功能，以表征热漂移；第二阶段（约16小时）启用校正功能，持续扫描同一区域。采用类似参考文献[14]的特征跟踪漂移估计方法，跟踪“Height Retrace”通道以反映地形变化。结果显示，跟踪到的漂移偏移量
tot遵循非线性轨迹（如图10所示），且随时间推移，扫描图像保持质量稳定（如图11所示）。该实验验证了框架在真实实验条件下的有效运行能力。
**总结讨论与结论翻译**
在讨论部分，研究人员强调了afspm的设计决策价值：（1）网络IPC协议和配置文件的定义允许实验跨多台计算机分布，优化计算资源；（2）语言灵活的数据格式和通信接口支持非Python算法或程序集成，但受限于框架支持的通信协议；（3）这些设计（封装制造商特定逻辑、IPC通信、配置文件解析与独立进程实例化）不仅适用于SPM，还可推广至光学显微镜和电子显微镜等缺乏仪器通信标准化的领域。未来计划与Bluesky Python包套件集成，以增强多仪器实验的互操作性和数据组织。
研究结论（翻译自原文“Conclusion”部分）：
afspm是一个用于编写SPM自动化实验的软件框架，通过使用通用命令和数据结构，并在发送至显微镜控制器时才翻译为特定格式。afspm还支持配置文件以鼓励可重用脚本，将实验特定参数与算法逻辑分离。此外，开发了中介层，允许后台任务间歇性地控制显微镜，从而能够以简单方式集成先前文献中展示的多种“监测与修复”自动化任务（例如尖端功能化）。研究人员通过测试暴露每种脚本接口类型的显微镜控制器上的功能，证明了编写和运行通用代码的能力。通过一个成功跟踪漂移超过合理持续时间的漂移校正实验，进一步验证了该框架用于运行实验的有效性。
