用于可重写芯片上实验室设备的声波传输水滴

杜克大学(Duke University)的工程师展示了一种多功能微流体芯片实验室，它利用声波在石油中创建隧道，以非接触式操作和运输液滴。该技术可以形成一种小型、可编程、可重写的生物医学芯片的基础，这种芯片可以完全重复使用，使现场诊断或实验室研究成为可能。

杜克大学机械工程和材料科学William Bevan杰出教授Tony Jun Huang说:“我们的新系统实现了液滴的可重写路由、分类和浇门，外部控制最小，这是液滴数字逻辑控制的基本功能。”“与以前的系统相比，我们用更少的能源和更简单的装置可以同时控制更多的液滴。”

自动化液体处理已经推动了许多科学领域的发展，如临床诊断和大规模化合物筛选。虽然在现代生物医学研究和制药工业中无处不在，但这些系统体积庞大，价格昂贵，而且不能很好地处理小体积的液体。

芯片实验室系统已经能够在一定程度上填补这一空间，但大多数系统都受到一个主要的拉回表面吸收的阻碍。由于这些设备依赖于固体表面，样品在运输过程中不可避免地会留下可能导致污染的痕迹。

这个新的芯片实验室平台使用了一层薄薄的惰性不溶性油来防止液滴自身留下任何痕迹。就在油的下方，当电流通过压电换能器时，压电换能器的网格就会振动。就像低音炮的表面一样，这些振动在其上方的薄油层中产生声波。

当声波从芯片的顶部和底部反弹时，以及它们相互碰撞时，就会形成复杂的图案。通过精心设计传感器的设计，并控制引起波的振动频率和强度，研究人员能够创造漩涡，当这些漩涡结合在一起时，就能形成隧道，沿着设备表面的任何方向推动和拉动水滴。

黄说:“新系统采用双模换能器，可以根据两种不同的流模式，沿x轴或y轴输送液滴。”“与我们之前的系统相比，这是一个很大的进步。我们之前的系统只是在油中创建了一系列凹痕，让油滴在一个轴上流过。”

帮助黄创建这一升级系统的是杜克大学约翰•科克(John Cocke)电子与计算机工程杰出教授克里希内杜•查克拉巴蒂(Krishnendu Chakrabarty)和他的博士生钟zhanwei Zhong。这两人帮助设计了新芯片实验室演示的核心电子器件，并极大地升级和缩小了系统中使用的电线连接、控制器和其他硬件。

通过使用双模传感器，研究人员能够沿着两个轴移动液滴，同时将电子器件的复杂性降低四倍。他们还能将传感器的工作电压降低3 - 7倍，使其能够同时控制8个液滴。通过在装置中引入一个微控制器，研究人员能够对大部分液滴运动进行编程和自动化。

研究人员在一系列视频中展示了他们的新设备的能力。在其中一个实验中，一个液滴在一个正方形的表面迅速旋转。另一些实验则显示液滴到达一个“T”十字路口，然后向左或向右转，以及一个“逻辑门”的创建，这个“逻辑门”既可以中断液滴沿着走廊的运动，也可以允许它通过走廊。

以类似于计算机芯片上的逻辑系统的方式来控制液滴的能力，在各种临床和研究程序中都是必不可少的。

黄说:“我们的下一步是将Chakrabarty教授团队设计的微型射频电源和控制板结合起来，用于大规模集成和动态规划。”“我们还计划整合无需接触液滴就能将液滴一分为二的能力。”