A Rubik’s microfluidic cube
Xiaochen Lai, Zhi Shi, Zhihua Pu, Penghao Zhang, Xingguo Zhang, Haixia Yu & Dachao Li
State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin, 300072, China
Microsystems & Nanoengineering:volume 6, Article number:27(2020)
引用本文：
提出了一种基于魔方的模块化微流体构建技术，利用魔方的零件互锁特性和可自由重组的特点，实现了可快速重构的微流体系统。
结合魔方的旋转重构特性和硅胶O型环辅助机制，解决了微流体魔方中各个功能模块的对齐和密封问题。
通过魔方公式和计算机辅助程序，展示了微流体魔方的重构方法以及针对具体应用的功能按需定制。
模块化微流体是将微流体系统划分为多个具有不同功能的微流体模块，然后根据不同的应用需求，对各个功能模块进行自由组合，以此构建复杂微流体系统的技术。模块化微流体系统有望解决自定义微流体系统现场快速、灵活部署的难题，并为微流体模块的标准化提供了新思路，近年来在微流体研究领域得到了广泛关注。
然而，在诸如乐高积木式的传统模块化微流体系统中，微流体模块间缺少可靠的自适应连接和密封手段，系统耐压和对准性能因此受到了很大影响，无法满足微流体系统的现场部署需求。此外，现有模块化微流体系统功能的切换和重构过程相对复杂，难以根据实际应用需求实现模块的快速重组和功能的在线切换。针对这些问题，有必要研究一种重构过程简单、性能可靠的新型模块化微流体系统。
魔方是一种风靡世界的三维拼图玩具，能够以简单旋转的方式实现魔方零件的多样化组合。受魔方结构的启发，天津大学栗大超教授领导的生物信息测量与生物制造课题组首次提出了一种基于魔方结构的新型模块化微流体系统构建方法，通过将传统三阶魔方的零件替换成具有独立功能的微流体模块，以“玩魔方”的方式实现了模块化微流体系统功能的按需配置。针对微流体模块精确对齐的应用需求，作者在魔方零件自锁特性的基础上，引入了基于硅胶O型环的辅助对准和密封机制，使微流体系统获得了可靠的耐压和对准性能。此外，作者还提出了基于魔方公式的微流体系统功能的按需配置方法，利用常规魔方还原中的经验公式以及魔方求解程序，指导魔方中各个微流体功能模块的按需替换和系统重构。现阶段，作者已成功将该魔方式模块化微流体系统配置为混合器和液滴生成器等具有不同功能的微流体器件，并演示了基于液滴的细菌培养应用。
不同于传统的模块化微流体设计，魔方式的模块化微流体系统具有以下独特的优势。首先，魔方式系统的互锁机械结构保证了各个功能模块的可靠组合，魔方相邻模块始终保持紧密连接，因此无需额外的连接手段即可获得良好的耐压性能。其次，魔方式系统只需通过旋转即可完成微体系统中模块的变更，重构过程简单、快速。另外，由于重构过程无需对系统进行拆解，魔方式系统能够更好地适应对微流体模块进行快速重组和功能在线切换的应用需求。
下一阶段，作者计划将该系统拓展至四阶、五阶魔方等更复杂的情形，同时将更多的功能模块融入魔方式微流体系统中，涵盖微流体、微传感器、微泵、微阀、温控、光学检测等，进而实现一体化的魔方式可重构智能仪器，为生物信息测量系统的现场快速部署开辟新的道路。
图文展示1：魔方式微流体系统示意图
(a)魔方式微流体系统整体示意图。(b)微流体魔方中的角块，包括3合1出/入口(左)，三维T型结构(中)，转向通道(右)。(c) 微流体魔方中的棱块，从左向右依次为：直通道，螺旋通道，立体腔，平面腔。(d)微流体魔方的中心块和其他组件。
魔方式微流体系统的设计上图所示，其组成部分包含角块、棱块、中心块、转轴和紧固件。其中，角块主要负责微流体在系统内的输入输出和流路交互作用，棱块主要负责流体混合、孵育等具体功能的实现，紧固件则负责将魔方的各个模块通过面中心块与魔方转轴相连。
图文展示2：O型环介导的对齐和防漏机制
(a) 当魔方未被旋转到正确位置时，角块与棱块间存在间隙，此时会有流体泄漏的现象发生。(b) 当魔方旋转至正确位置时，棱块中的O型环会自动嵌入角块上的凹槽中，确保两个模块间能够自动对齐，防止泄漏发生。
上图显示了微流体魔方基于O型环的模块对准和密封机制。当微流体魔方未旋转到位时，角块与棱块间会存在间隙，此时会有流体泄漏的现象发生。当魔方旋转至对齐位置后，棱块中的O型环会自动嵌入至角块上的凹槽中，防止两模块的相对位移。此时，柔性的硅胶O型环在中心块传递来的推力作用下能够完全贴合棱块与角块上的凹面，使流体通道能够密闭地连接起来，防止泄漏的发生。
图文展示3：将特定棱块/角块替换至指定位置
(a) 替换流路中的一个棱块。对应的公式为：M’D’MS’。(b) 替换流路中的一个角块。对应的公式为：RDR’。底部的示意图代表魔方的旋转过程，其中红色为被替换模块，绿色为替换模块，蓝色为不希望改变的模块。
魔方式微流体系统的按需配置可以借助魔方的公式完成。例如，我们可以利用魔方公式替换已有微流体系统中的某个棱块或某个角块，如上图所示。需要注意的是，许多魔方公式在产生期望效果的同时也会带来打乱其他部分的副作用，使用公式时应注意挑选合适的公式类型，避免公式的副作用打乱魔方无需改变的部分。
图文展示4：用微流体魔方配置的功能化微流体系统
(a)由入/出口模块，直通道模块，螺旋通道模块、T型结构模块组成的微流体混合器。(b)、(c)分别表示了螺旋通道入/出口处的照片。(d)黄色深度沿b、c中虚线的分布。(e)由入/出口模块，直通道模块，平面腔模块、T型结构模块组成的油包水液滴生成器。(f)液滴大小随油/水相流速比的变化规律。
根据不同的应用需求，可以将微流体魔方配置成各种功能化微流体系统、包括混合器、液滴生成器等应用，如上图所示。另外，该魔方式微流体系统还可以向更高阶的魔方系统扩展，整合包括微传感器、微泵、微阀等不同种类的功能模块，实现更加复杂、多样化的系统功能。
A Rubik’s cube as a reconfigurable microfluidic system is presented in this work. Composed of physically interlocking microfluidic blocks, the microfluidic cube enables the on-site design and configuration of custom microfluidics by twisting the faces of the cube. The reconfiguration of the microfluidics could be done by solving an ordinary Rubik’s cube with the help of Rubik’s cube algorithms and computer programs. An O-ring-aided strategy is used to enable self-sealing and the automatic alignment of the microfluidic cube blocks. Owing to the interlocking mechanics of cube blocks, the proposed microfluidic cube exhibits good reconfigurability and robustness in versatile applications and proves to be a promising candidate for the rapid deployment of microfluidic systems in resource-limited settings.
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