Bachelor's Thesis

Design and Fabrication of an Electronically Controlled Manipulator with Control Software for Testing Graphene Biosensors

Final Thesis 13.47 MB Appendix 13.33 MB

Author of thesis: Adam Gregůrek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vojtěch Gajzler

Abstract:

This thesis presents the design, fabrication, and software development of an electronically controlled manipulator designed specifically for top-gate testing of graphene biosensors based on the field effect transistor architecture. The mechanical setup utilizes a Thorlabs XYT1/M translation stage for lateral (X-Y axes) movement and a synchronized dual-stepper motor mechanism for vertical (Z-axis) movement. Driven by an Arduino Mega 2560 and RAMPS 1.4 module, the standalone system is controlled by a custom graphical user interface (GUI) built in the Python programming language, featuring real-time optical feedback and automated virtual zero detection. Experimental testing confirmed a high signal-to-noise ratio and successfully demonstrated a real GFET transfer characteristic, which shows the dependence of resistence on the gate-voltage with a maximum at the Dirac point, demonstrating the device as a standalone platform for reproducible biosensor testing.

Keywords:

Graphene field-effect transistor (GFET), biosensor, automated three-axis manipulator, Python GUI, stepper motor control.

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Testoval jste přesnost posunů a srovnával je s požadovanou přesností? Testoval jste opakovatelnost? Jaký posuv na otáčku má použitý vozík? Doporučení na umístění zdroje mimo zařízení a vyztužení osy Z, například nahrazením lineárním aktuátorem nebo nahrazením direct-drive motorem. Do jaké míry byla použita AI k psaní textu práce? Doporučení na integraci zpětné vazby na měření polohy. Na závěr byla obhajoba hodnocena jako výborná.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Vlachý (člen)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D.

Bakalářská práce Adama Gregůrka se zabývala návrhem a výrobou elektronicky řízeného tříosého manipulátoru horního hradla grafenového biosenzoru typu FET (Field-Effect Transistor). Toto zařízení je důležité pro výzkum biosenzorů především z hlediska přesnosti, reprodukovatelnosti a možností další automatizace měření.

Oceňuji, že se Adam Gregůrek po celou dobu o téma aktivně zajímal, přicházel s návrhy vlastních řešení a účastnil se schůzek grafenové skupiny. Díky tomu byl v pravidelném kontaktu s experimentátory, kteří zařízení používají, a získal tak dobrý základ pro vytvoření řešení, které je nejen funkční, ale především snadno ovladatelné skutečnými uživateli.

Téma řešil samostatně, aktivně a se značným osobním nasazením – od návrhu přes výrobu až po tvorbu uživatelsky přívětivého softwaru. Oceňuji také, že některé komponenty vyráběl vlastními silami v MechLabu.

Student prokázal schopnost propojit poznatky z více technických oblastí a úspěšně je převést do funkčního zařízení. Výsledkem je plně provozuschopný manipulátor s vlastním ovládacím softwarem, který je prakticky využitelný pro další výzkum biosenzorů.

Práce splňuje všechny cíle zadání a svým rozsahem i kvalitou převyšuje běžný standard bakalářských prací.

Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Vojtěch Gajzler

Bakalářská práce pana Gregůrka se zabývá návrhem a realizací zařízení pro automatickou manipulaci hradla při testování grafenových biosenzorů. Student vytvořil kompletní systém zahrnující mechanickou konstrukci, elektroniku i řídicí software.

Práce je technicky na dobré úrovni, nicméně místy působí zbytečně detailně a některé konstrukční obrázky jsou bez znalosti celku obtížně interpretovatelné. Rešeršní část je poměrně rozsáhlá, přičemž pouze malá část uvedených informací se následně promítá do návrhu zařízení. Postrádám také podrobnější zdůvodnění některých konstrukčních rozhodnutí a výběru použitých komponent.

Největší výhrady mám k experimentální části práce. Kapitola 5.1 nepřináší dostatečně přesvědčivé ověření deklarovaných parametrů zařízení, zejména přesnosti a opakovatelnosti polohování. Kapitola 5.2 neobsahuje tabulky ani grafy, které by souvisely s funkcí navrhovaného zařízení. 


Přes uvedené připomínky student prokázal schopnost řešit komplexní technický problém a vytvořil funkční zařízení s praktickým využitím. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou B – velmi dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jaké změny stávajícího zařízení či jeho programu by byly nezbytné pro zajištění nulové výšky na nerovně umístěném vzorku?
  2. Komunikuje nově vytvořený program manipulátoru se starším programem pro obsluhu měřící sestavy, který byl dříve vytvořen v labview? Případně je nějak možné zajistit synchronizaci programů během experimentu?
  3. Na základě jakých úvah byly stanoveny požadavky na přesnost polohování manipulátoru?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová