本发明属于微流控，具体的，特别涉及一种可动态重构、程序化的微流体系统及其应用。
背景技术：
1、精准操控批量的微量液体运动具有广泛的工业应用前景，例如生物制药、细胞培养、生化检测、微流控系统等领域，可以将科研人员从繁重的实验操作中解放出来同时极大的提高效率。目前，处理离散相微流体较为成熟的微流控系统的实现主要有三种：1.基于电浸润原理的微流控系统；2.基于声波驱动的微流控系统；3.基于磁场引导的微流控系统。但是在实际的生产和使用中，这些方法都存在不同的问题，对于基于电浸润原理的微流控系统：在微流体传输的过程中，对液滴表面的充放电过程可能导致电降解的问题，会破坏实验样品；对于基于声波驱动的微流控系统：微流控平台的制造复杂且单个驱动单元的小型化存在困难，较难实现大批量微流体的处理；对于基于声波驱动的微流控系统：必须要在待操控液滴中加入铁磁颗粒，这会在某些情况下污染待操控液滴。
2、除此之外，为了完成一些组合操作如液滴的搅拌混合和分裂等，需要借助外部的框架结构或另外的设备，无法实现同一位置动态的复用，因此微流控芯片的可重构能力较低，对于不同的实验，需要设计对应的微流控芯片。
3、因此，迫切需要开发新的微流体平台，以实现在对微流体产生最小影响的情况下驱动微流体运动，同时实现高度的可重构能力。
技术实现思路
1、本发明提供了一种可动态重构、程序化的微流体系统及其应用，利用微型执行器阵列调控通过形变局部改变微流控芯片中的工作空间的尺寸，诱导产生毛细作用力实现微量液体自驱运动和动态变形，用户可以根据实际的实验需要定制芯片上不同区域的功能，满足不同场景下对微流体的操控需求。
2、为实现以上目的，本方案提供了一种可动态重构、程序化的微流体系统，包括：依次通信连接的基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片以及芯片控制单元，其中基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片包括自下而上依次设置的驱动层、形变执行层、隔膜层以及外壳层，其中隔膜层同外壳层之间间隔设置以形成工作空间，被操控的微流体置于工作空间内，隔膜层通过化学或物理方法同形变执行层键合，驱动层为可寻址的刺激源阵列，形变执行层为执行器阵列，驱动层上的刺激源单元刺激形变执行层发生刺激响应形变以带动隔膜层产生表面形状/形貌变化，局部改变工作空间的尺寸，诱导产生毛细作用力实现微流体的自驱运动和动态变形。
3、在一些实施例中，可动态重构、程序化的微流体系统包括同芯片控制单元联通的微流控监控反馈单元和/或程序化控制单元，微流控监控反馈单元和/或程序化控制单元同芯片控制单元联通，微流控监控反馈单元监控工作空间内的微流体的状态，程序化控制单元控制芯片控制单元。
4、在一些实施例中，基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片、芯片控制单元、微流体监控反馈单元以及程序化控制单元四者之间通过导线连接用于控制信号传输和能量供应。
5、在一些实施例中，驱动层上的刺激源阵列在芯片控制单元的控制下可图案化以及局部驱动。
6、在一些实施例中，外壳层同隔膜层之间存在0-2000μm的间距以形成工作空间。
7、在一些实施例中，外壳层为可功能化透光平板。
8、在一些实施例中，形变执行层由刺激响应形变材料制备，使用的刺激响应形变材料包括但不局限于水凝胶、液晶高分子、介电弹性体、磁流体、压电材料、超分子材料、液-气相转变材料、电磁电机结构等在外界物理或化学刺激下产生长度、体积或弯曲角度变化的材料或装置。优选的，形变执行层由刺激响应形变的液晶高分子材料制备。在优选实施例中，所述刺激响应形变高分子材料为通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应或自由基聚合得到的液晶弹性体材料，液晶弹性体材料为液晶高分子材料。
9、在一些实施例中，形变执行层中的执行器可以全部由刺激响应形变材料组成，也可以部分由刺激响应形变材料组成，例如双元结构，一半由刺激响应形变材料构成，而另外一半由非刺激响应形变材料组成，非刺激响应形变材料可以是各种高分子、陶瓷、金属、玻璃、无机物等，非刺激响应形变材料的高度为0-200mm，直径为0.0001-50mm，其中0mm代表全部使用刺激响应形变材料制备的执行器阵列。
10、在一些实施例中，执行器阵列上设有多个独立程度控制的执行器，所述的形变执行层的执行器在高度/长度方向上缩短形变时的变形率绝对值(ε＝|(l0-l)/l0|)范围在0-80％，伸长形变时的变形率绝对值(ε＝|(l0-l)/l0|)范围在0-500％，弯曲形变时的弯曲角度范围在0-90°。
11、在一些实施例中，所述的形变执行层中的执行器的刺激响应形变材料直径为0.0001mm-50mm，高度为0.0001-50mm，相邻执行器之间的间距为0.0001mm-50mm，其执行器阵列排布的点阵形状可以是正方形、矩形、三角形或其他不规则的形状；执行器阵列中每个微型柔性执行器的形态可以是圆柱体、四面体、长方体、纺锤体及其它规则或不规则的多面体。
12、优选的，所述的形变执行层中的执行器的点阵形状是正方形，形态为圆柱体。
13、在一些实施例中，工作空间两侧的平面的单侧是可动态重构表面或双侧均是可动态重构表面；当工作空间两侧的平面的单侧是可动态重构表面时，可动态重构表面为隔膜层，另一平面是金属材料、无机非金属材料、高分子材料或者复合材料的一种。
14、优选的，所述外壳层采用外壳层为玻璃、有机玻璃pmma等透光的刚性材料制备得到。
15、在一些实施例中，工作空间内填充作为被操控流体的分散和保护介质，被操控流体的分散和保护介质可以是氮气、氩气等惰性气体，也可以是空气，或者电子氟化液、硅油等液体。
16、在一些实施例中，所述微流体监控反馈单元选择基于视觉的摄像机等非接触式方法监测和反馈基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片中的微流体操作；也可以是传感的方式利用集成在隔膜层和外壳层表面或者内部的感应电极阵列或传感器阵列监测和反馈基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片中的微流体操作。
17、微流控监控反馈单元将工作空间内微流体的运动状态反馈给程序化控制单元，以使得用户可通过程序化控制单元实时调控微流控芯片的表面拓扑形貌。
18、在一些实施例中，作为驱动层的可寻址的刺激源阵列与芯片控制单元以及程序化控制单元通信连接，驱动层的刺激源在程序化控制单元和芯片控制单元的程序化控制下，产生动态图案化的刺激并驱动作为形变执行层的执行器阵列产生动态图案化形变，执行器阵列的刺激响应形变诱导隔膜层表面产生局部、图案化形貌/形状变化，局部改变芯片中微流体的工作空间的尺寸，诱导产生毛细作用力实现微量液体自驱运动和动态变形，并能够并行、动态地进行多种微流体操作。
19、在一些实施例中，驱动层由可寻址控制刺激源组成，可以选择基于digital lightprocessing(dlp)或(liquid crystal display(lcd)的数字图案化光投影技术的驱动层，基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层，或其它可以实现对局部、图案化刺激控制的驱动层，或基于oled和led阵列的光显示技术的一种或其组合。在优选的实施例中，驱动层选择基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层。在另一优选例中，可寻址控制刺激源的驱动层是基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层。
20、本方案所述的可寻址控制刺激源选自光、电、温度、湿度、化学刺激的一种或多种。当驱动层采用光为刺激源，通过调节光源的光照强度、光斑区域大小和光源分布；当采用电为刺激源，通过调节电源的电场强度和分布；当温度为刺激源，通过调节温度源的温度和分布；当湿度为刺激源，通过调节湿度大小和分布区域；当使用化学刺激源，通过调节化学刺激源的浓度和分布，实现对微型柔性执行器阵列中每个执行器的形变量的实时动态控制，进而控制隔膜层的形变执行层的图案化、局部拓扑形貌/形状变化。
21、在另一优选例中，所述的可图案化、局部驱动的驱动层为可寻址控制刺激源是电刺激。
22、在一些实施例中，驱动层的刺激源阵列铺设在基底上构成可图案化、局部驱动的基板，在一些实施例中，所述的基于表面拓扑形貌变形的芯片可以制备在平面或非平面、带有曲率的基底上，对应的，可图案化、局部驱动的基板可以是平面或非平面、带有曲率的基底。也就是说，驱动层的刺激源阵列铺设在平面或非平面、带有曲率的基底上。
23、需要说明的是，形变执行层的执行器可以选择为非常小的电机阵列、电磁阵列或者压电材料阵列的刚性执行器，此类刚性执行器也可以实现在电刺激作用下产生形变或位移。在优选实施例中，驱动层的刺激源通过热刺激刺激微型柔性执行器阵列的刺激响应高分子材料产生形变，通过在驱动层中通入电流以产生焦耳热，焦耳热刺激响应高分子材料，通过改变通入的电流的大小和时间，控制形变执行层的刺激响应高分子材料的形变状态。
24、在另一优选例中，所述微流体为亲水微流体或疏水微流体时，所述可动态重构的表面修饰有疏水涂层，对应的，隔膜层表面修饰疏水涂层。
25、在另一优选例中，所述微流体为疏水微流体时，所述微流体内掺杂有表面活性剂。
26、在一些实施例中，所述微流体的体积范围为0.1pl-10ml。
27、在一些实施例中，此系统适用于多种类型液体的微流体操作，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、甲苯、戊烷、辛烷、环己酮、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体、盐溶液、电子氟化液以及以上液体的混合液体。
28、在一些实施例中，由于基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片的隔膜层的表面形貌可发生局部的拓扑形变，故基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片的工作空间的同一区域可以实施传输、搅拌、分裂、融合、振荡、挤压变形等多种微流体操作间动态切换，实现功能区的动态重构；并且可以动态实时改变任意区域的微流体操作。此外通过图案化的表面形状/形貌变化，不同位置可以同时运行，实现并行操控。
29、在一些实施例中，所述芯片控制单元通过开关芯片控制位于基于表面拓扑形貌变形的芯片中的驱动层上的每一个刺激源单元，由程序化控制单元的微控制器通过通讯协议控制每一个开关芯片。
30、在一些实施例中，所述的芯片控制单元是通过控制协议被程序化控制单元控制，最终实现在程序化控制单元上用程序控制驱动层上每一个刺激源单元。
31、在另一优选例中，所述的通讯协议为spi协议。
32、在另一优选例中，所述的通讯协议为usb协议。
33、在另一优选例中，所述的程序化控制单元是通过电脑和控制程序实现。
34、第二方面，本方案提供了一种可动态重构、程序化的微流体系统的应用方法，包括：将微流体置于工作空间内，芯片控制单元控制基于表面拓扑形貌变形的芯片的驱动层上的每一刺激源单元，驱动层刺激芯片形变执行层做出刺激响应形变，形变执行层的刺激响应形变带动隔膜层产生表面拓扑形貌，通过控制隔膜层发生拓扑变化的重构点的位置和时间动态实时调节微流体的驱动方向、驱动速度。
35、在一些实施例中，微流控监控反馈单元和/或程序化控制单元同芯片控制单元联通，此时微流控监控反馈单元获取工作空间内微流体的状态并将反馈信号发送给芯片控制单元和/或程序化控制单元，程序化控制单元联通并控制芯片控制单元。
36、在一些实施例中，通过在微流控芯片的工作空间的不同的工作区域并行执行多种微流体操作，且动态实时改变任意工作区域的微流体操作。
37、在一些实施例中，通过在微流控芯片内图案化的表面形状/形貌变化，可以在不同位置可以同时运行，实现并行操控。
38、在一些实施例中，基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片可以水平放置进行微流体操作，也可以在非水平面放置的情况下进行微流体操作，甚至能够克服重力影响，竖直放置时依然可以进行微流体操作。
39、在一些实施例中，所述的控制方法是通过控制作为可动态重构表面的隔膜层发生拓扑变化的重构点的位置和时间来动态实时调节驱动方向、驱动速度，在工作空间平面可实现的驱动方向的角度范围是0-360°，驱动速度的范围是0-1m/s。
40、在一些实施例中，所述的控制方法是通过控制作为可动态重构表面的隔膜层发生拓扑变化的重构点的时间来调节周期性形变的频率，频率的范围是0-500hz。
41、相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：
42、本发明设计一种基于可动态重构表面变形驱动微流体运动的微流控芯片及应用，可以利用微型执行器阵列通过形变，局部改变芯片中微流体工作空间的尺寸，诱导产生毛细作用力实现微量液体自驱运动和动态变形，并能够并行、动态地进行多种微流体操作。通过微型执行器阵列的图案化变形，可以实现多种微流体并行操作(传输、合并、混合搅拌、分裂、振荡、挤压变形)，并可以动态实时改变芯片中任意区域的微流体操作。通过微流体检测反馈单元可以实时监测芯片微流体操作反馈，形成闭环自动化控制。此外，此微流控芯片可以水平放置进行微流体操作，也可以在非水平面放置的情况下进行微流体操作，甚至能够克服重力影响，竖直放置时依然可以进行微流体操作。这项全新概念的微流控技术在微反应系统、数字化细胞培养、芯片实验室、太空无人实验室等领域有巨大的应用价值。
1.一种可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，包括：依次通信连接的基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片以及芯片控制单元，其中基于表面拓扑形貌变形的微流控芯片包括自下而上依次设置的驱动层、形变执行层、隔膜层以及外壳层，其中隔膜层同外壳层之间间隔设置以形成工作空间，被操控的微流体置于工作空间内，隔膜层通过化学或物理方法同形变执行层键合，驱动层为可寻址的刺激源阵列，形变执行层为执行器阵列，芯片控制单元控制驱动层上的刺激源单元刺激形变执行层发生刺激响应形变以带动隔膜层产生表面形状/形貌变化，局部改变工作空间的尺寸，诱导产生毛细作用力实现微流体的自驱运动和动态变形。
2.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，外壳层同隔膜层之间存在0-2000μm的间距，工作空间内填充被操控微流体的分散和保护介质。
3.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，工作空间两侧的平面的单侧是可动态重构表面或双侧均是可动态重构表面，当工作空间两侧的平面的单侧是可动态重构表面时，可动态重构表面为隔膜层，另一平面是金属材料、无机非金属材料、高分子材料或者复合材料的一种。
4.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，微流控监控反馈单元和/或程序化控制单元同芯片控制单元联通，微流控监控反馈单元监控工作空间内的微流体的状态，程序化控制单元控制芯片控制单元。
5.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，形变执行层由在外界物理或化学刺激下产生长度、体积或弯曲角度变化的刺激响应形变材料制备得到，可寻址控制刺激源选自光、电、温度、湿度、化学刺激的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，所述微流体为硅油、正己烷、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、水、异丙醇、甲苯、戊烷、辛烷、环己酮、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、气液流体、乳化液、气固流体、汽油、生化液体、盐溶液、电子氟化液以及以上液体的混合液体。
7.根据权利要求1所述的可动态重构、程序化的微流体系统，其特征在于，所述微流体的体积范围为0.1pl-10ml。
8.一种可动态重构、程序化的微流体系统的应用方法，对权利要求1到7任一所述的可动态重构、程序化的微流体系统内的微流体进行控制，
9.根据权利要求8所述的可动态重构、程序化的微流体系统的应用方法，
10.根据权利要求8所述的可动态重构、程序化的微流体系统的应用方法，其特征在于，通过在微流控芯片的工作空间的不同的工作区域并行执行多种微流体操作，且动态实时改变任意工作区域的微流体操作。
