키네신(Kinesin) 분자 모터 & 1,000Hz 0-Alloc C# 광학 핀셋 피코뉴턴(pN) 나노스텝 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Stem.MolecularBioPhysics
{
    /// 

    /// 광학 핀셋 QPD 1ms 간섭계 전압 프레임
    /// 
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public readonly struct OpticalTweezersFrame
    {
        public readonly uint TickUs;
        public readonly float QpdDiffVoltageV; // 후방 초점면 간섭계 차동 전압
        public readonly float LaserPowerMw;     // 트랩 레이저 출력 (mW)

        public OpticalTweezersFrame(uint us, float vDiff, float power)
        {
            TickUs = us;
            QpdDiffVoltageV = vDiff;
            LaserPowerMw = power;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 0-Alloc 키네신 분자 모터 광학 핀셋 포스 클램프 서보 엔진
    /// 
    public ref struct KinesinOpticalTweezersServo
    {
        private const float CalibrationNmPerVolt = 180.0f; // 180 nm/V 변환비
        private const float TrapStiffnessPnPerNm = 0.048f; // 0.048 pN/nm
        private const float StepSizeNm = 8.4f;             // 키네신 고유 보폭 (8.4nm)
        private const float StallForceLimitPn = 6.0f;      // 모터 정지 한계력 (6pN)

        private float _filteredDisplacementNm;
        private float _lastBaselineNm;
        private int _totalStepsCount;
        private float _aomSteeringOffsetNm;

        public KinesinOpticalTweezersServo(bool initialize = true)
        {
            _filteredDisplacementNm = 0.0f;
            _lastBaselineNm = 0.0f;
            _totalStepsCount = 0;
            _aomSteeringOffsetNm = 0.0f;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public bool ProcessTick(in OpticalTweezersFrame frame, out float beadForcePn, out int stepCount, out float aomControlVolts)
        {
            // 1. QPD 전압으로부터 비드 위치 도출 (0-Alloc)
            float rawPosNm = frame.QpdDiffVoltageV * CalibrationNmPerVolt;

            // 2. 브라운 열요동 제거를 위한 스택 지수 평활 필터
            _filteredDisplacementNm = (0.25f * rawPosNm) + (0.75f * _filteredDisplacementNm);

            // 3. 인가된 기계적 하중력 F = k * x (pN)
            beadForcePn = _filteredDisplacementNm * TrapStiffnessPnPerNm;

            // 4. 8.4nm 나노스텝 감지 상태 머신
            float deltaFromBase = _filteredDisplacementNm - _lastBaselineNm;
            if (deltaFromBase >= (StepSizeNm * 0.75f))
            {
                _totalStepsCount++;
                _lastBaselineNm += StepSizeNm; // 다음 스텝 기준선 갱신
            }

            stepCount = _totalStepsCount;

            // 5. 정지력 초과 방지 포스 클램프 (Force Clamp) AOM 레이저 위치 추적
            if (beadForcePn >= StallForceLimitPn)
            {
                _aomSteeringOffsetNm += StepSizeNm; // 트랩 중심을 전진 이동
            }

            aomControlVolts = Math.Clamp(_aomSteeringOffsetNm * 0.05f, 0.0f, 10.0f);
            return beadForcePn < (StallForceLimitPn * 1.2f);
        }
    }
}