微流體技術,碰撞布雷斯悖論,一個微流體的新時代?

從上世紀90年代，微流體技術開始成形，到今天在生物學、化學和生物醫學領域裡無所不在的應用，這種將液體通過刻在矽片上的微小迷宮通道，然後在微觀尺度上混合、反應和分離它們的技術，讓世界產生了很多變革，以前需要整個實驗臺的技術，現在可以用微流體晶片在微觀尺度上完成。

而微流體技術也在變革，尤其是最近，當布雷斯悖論（ Braess's paradox），這個看起來風馬牛不相及的概念，和傳統微流體技術發生碰撞，產生了耀眼的火花，可能帶來前所未有的變化。

我們先說說布雷斯悖論，它來自於對道路交通網絡行為的反直覺觀察：在道路網中增加一條道路可能會阻礙其流量，而封閉道路可以潛在地改善出行時間。舉個例子，1990年，紐約市交通局為了慶祝地球日，關閉了42街。這條路經常堵塞，所以紐約人都在做最壞的打算。但令大家驚訝的是，交通流量實際上有所改善。

紐約42街封鎖，交通竟然改善了

它的產生是因為網絡本身影響了流經它的流量。即使有更快的路線，很多駕駛員還是會選主幹道。而關閉它，交通就被迫去尋找其他更快的路線。相反，一條新路會吸引太多的車輛，造成交通堵塞。

這種看起來自相矛盾的行為在流量規劃和網絡流量方面都有應用，但也適用於能量網，食物網，甚至在某些運動中通過遊戲而創建的網絡中。比如在體育運動中，一個明星球員的加入實際上會降低一個團隊的效率，主要是因為過度依賴那個球員。

這麼看，布雷斯悖論和微流體技術好像完全不相干。別急，咱們再說說微流體技術，再揭示它們的聯繫。

微流體晶片：驗血

微流體系統被精確地設計成微型流體操縱裝置，可以執行越來越複雜的任務。而實現這一點，需要微流體晶片。晶片裡包含複雜的通道、泵、混合室、化驗區等。而在晶片之上的集成電路，可以開關水泵，打開和關閉通道。可以說，電路是微流體晶片的大腦，將這種電子機械和流體力學結合在一起。

在一般情況下，流量是線性的-增加壓力，流量也是線性的。而微尺度流動的典型線性性質，使得它們的運作往往需要許多外部控制裝置，極大妨礙了綜合控制機制的發展。

a-H網絡示意圖；b-單一壓力差推動流量

現在科學家發現了一種新方法，利用微流體網絡的非線性來解決這一難題。這種模式本質上是兩個長長的走廊，中間連接著第三個走廊，形成了一個H型。所以液體可以沿著這兩個長走廊流動，穿過連接的走廊，然後在走廊的底部流出。

要引入非線性，可以將圓柱形障礙物放置在H網絡一條腿的下半部分。這會引起湍流，使壓力非線性變化。而改變H頂部和底部的壓力差，會導致各種有趣的、可重複的行為。例如，通過改變壓力差來逆轉穿過連接走廊的氣流方向。換句話說，可以用它作為開關。

非線性流發展，壓力損失和流量之間關係

簡單地說，微流體網絡在施加的壓力和流量之間表現出非線性關係，可以通過控制輸入和/或輸出壓力來控制內部流動的方向：在一定壓力下，當連接走廊關閉時，通過H的總流量增加。換句話說，可以通過關閉走廊來增加通過H網絡的流量，這與紐約在42街的例子非常相似。

流動開關與布雷斯悖論的實驗觀察

這些網絡展示了一個實驗支持的布雷斯悖論的流體模擬，即關閉中間通道會導致更高而不是更低的總流量。而且這種行為是可擴展的，可以用於實現與多個交換機的流路由。

這個發現在微流體網絡中具有巨大的潛力。這表明微流體網絡的控制可以大大降低複雜性，是一種在微流控網絡中通過編碼到網絡結構和外部的控制機制進行路由和交換的方法。它將推動微流體網絡內建控制機制的發展，從而促進可攜式系統的創建，微流控設備將變得更小、更便宜、更強大，並在從可穿戴醫療技術到可部署空間系統等領域實現新的應用。

參考文獻：

維基百科——Braess's paradox

《自然》文獻—— D.J., Liu, Y., Kiss, I.Z. et al. Braess’s paradox and programmable behaviour in microfluidic networks. Nature 574, 647–652 (2019).

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