CN114768901A - 基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其驱动方法，包括自下而上设置在在固定支架上的线圈组阵列、支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜；线圈组阵列由若干根柱形线圈构成并以阵列形式竖直设置；支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜自下而生水平铺设并置于线圈组阵列上方，疏水性磁弹薄膜由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个经过磁化的磁块构成；在每个柱形线圈的正上方设置一个磁块，且在横、纵两方向上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个磁块；该系统及其驱动方法采用超疏水性磁弹薄膜和微电磁线圈实现液滴可编程平稳匀速移动，灵活性强，不影响液滴自身理化性质，且对液滴特性耐受性高，驱动方法简单灵活，易操控。
Description
技术领域
本发明涉及液滴控制液滴控制技术领域，特别涉及一种基于疏水性磁弹薄膜 的可编程液滴移动系统及其驱动方法。
背景技术
在生物、化学、材料等领域的测试实验和科学研究中，需要对各种液滴样本、 试剂进行复杂的操作测试。特别是在具有辐射、毒性的液剂测试中，科研、医疗 工作人员需要佩戴有效防护装置来防止对人体的危害。人工操作测试液滴样本会 耗费大量的实验器材，同时也产生了大量的医疗垃圾，对环境造成了极大的污染。 因此，液滴的自动控制是我们亟待解决的问题。精准液滴控制技术在物理、化学、 生物、医疗等多个领域都有着广泛的应用价值。
随着对液滴动力学特性理解的逐渐加深，研究人员借助电学、磁学、光学、 机械等方法实现对液滴及其界面行为的精准操控。目前液滴驱动方式有电介质上 的电润湿(EWOD)、表面声波、气动驱动、热毛细效应、光致驱动等。但上述 的方法也存在一定的弊端。已公开专利申请CN201880002445.X公开了一种使用 电润湿技术进行液滴操纵的方法，电润湿技术将被控液滴放置于电场之中，能很 好地实现液滴控制，但此方法可能导致液滴内部成分发生电离等情况，改变其理 化性质影响实验结果。已公开专利申请CN201710111235.1公开了一种有创磁控 驱动液滴移动方案，该方案以微电磁棒和基片为平台，通过微电磁棒实现对含磁 珠液滴的输运、融合、混合等操作，但该方案液滴中参杂磁性材料，可能改变原 有液滴的理化性质干扰实验结果。
相比之下，采用超疏水性磁弹薄膜和微电磁线圈的液滴可编程移动控制系统 有着更好的灵活性，不影响液滴的基本性质，且有着对液滴特性相对较高的耐受 性，不改变液滴自身的理化性质，其精准操作在化学、生物、医疗等多个领域都 有着广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种可编程操纵实现液滴移动、混合等功能的基于疏水 性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统
本发明的另一目的是提供一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴平稳匀速 移动系统的驱动方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，包括自下而上设置在在固 定支架上的线圈组阵列、支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜；其中，
线圈组阵列由若干根柱形线圈构成，其以M×N的均布排列的阵列形式并采 用竖直设置的方式均布固定在底板上，M和N均为大于1的整数；各柱形线圈 由在相同线圈套采用相同绕线方向环绕相同匝数形成；
支撑板采用能够使磁场穿透的硬性制成板，其水平设置在线圈组阵列的上 方；硅橡胶层水平铺设在支撑板的上表面；
疏水性磁弹薄膜由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个具有相同尺寸且均经过 磁化的磁块构成；若干个磁块的数量与设置位置与线圈组阵列中柱形线圈的数量 与位置相关：在每个柱形线圈的正上方设置一个正方形磁块，且在横、纵两方向 上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个正方形磁块；各磁块预先磁化为： 位于各柱形线圈正上方的磁块采用磁化方向垂直于水平面的方式磁化，且横、纵 方向上位于相邻位置上的两个磁块的磁化方向相反；位于各柱形线圈之间的磁块 采用磁化方向沿水平面方向的方式磁化，且磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化 方向磁化形成的磁块位置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成 的磁块位置。
进一步地，磁块采用横向截面为正方形的磁块，对应地，柱形线圈的直径与 其正方向截面相适应，优选为，柱形线圈在水平面上的投影为磁块在水平面上投 影的外切圆。
进一步地，固定支架由自下而上依次设置的底板、下支架和上支架构成；其 中，底板为一块水平设置的板体；下支架由第一矩形框和四根支腿构成，四根支 腿竖直设置并固定在第一矩形框的四个顶角处，且四根支腿上部局部位于第一矩 形框的上方；第一矩形框的尺寸小于底板的尺寸，使下支架刚好支撑在底板的边 沿处，并通过四根支腿使第一矩形框间隔设置在底板的上方；上支架由第二矩形 框和四块限位板构成；第二矩形框与第一矩形框的尺寸相同；四块限位板竖直设 置并固定在第二矩形框的四个顶角处，且四块限位板在水平方向上局部位于第二 矩形框外侧，使上支架刚好支撑在下支架上，并通过四块限位板使第二矩形框间 隔设置在第一矩形框的上方。
进一步地，支撑板采用PMMA支撑板。
进一步地，硅橡胶层采用高弹性铂催化硅橡胶制成的硅橡胶板；疏水性磁弹 薄膜采用高弹性铂催化硅橡胶制成的薄膜中内嵌具有规则排列的磁化磁块；磁块 为由高弹性铂催化硅橡胶与钕铁硼磁性粒子混合均匀并固化而成的正方体磁块。
进一步地，疏水性磁弹薄膜的制备方法包括模具磁块制作、磁块磁化和疏水 性磁弹膜制作；其中，
磁块制作的制备方法为：将高弹性铂催化硅橡胶的材料A与材料B按体积 为1:1混合均匀，而后将高弹性铂催化硅橡胶与具有高磁能积及高剩磁的钕铁硼 磁性粒子按质量比为1:1混合均匀，得到磁块原料；最后，将磁块原料填入模具 中，待完全固化后得到磁块；
疏水性磁弹膜的制备方法为：将磁化好的磁块放入模具中，通过填充由高弹 性铂催化硅橡胶原料并固化，制备形成内嵌有磁块的薄膜；而后，采用光束直径 为2μm、功率为4W的激光，对步骤S402得到的磁弹性薄膜以200mm/s的扫描 速度进行表面烧蚀。
进一步地，该基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统还包括与线圈组阵 列连接的电流控制系统；电流控制系统由上位机和若干个电流信号发生器构成； 若干个电流信号发生器一端分别与上位机连接、另一端分别一一对应地与线圈组 阵列中的各柱形线圈连接。
一种采用上述基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平 面上横向匀速移动或纵向匀速移动驱动方法，具体地，基于液滴从线圈A正上方 横向或纵向匀速移动至相邻侧线圈B正上方的步骤如下：
1)以相同速率逐渐升高线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者在相同时 间段内达到电流最大值，且线圈A中电流方向使其产生与线圈A正上方磁块的 磁化方向相同的磁场，线圈B的电流方向与线圈A中电流方向相同；此时，线 圈A正上方的疏水性磁弹薄膜在磁场作用发生最大程度凹陷，而线圈B正上方 的疏水性磁弹薄膜在磁场作用下发生最大程度凸起；该状态下，液滴在重力作用 下滑落至线圈A正上方的疏水性磁弹薄膜的凹陷处，液滴的重力势能转化为动 能；
2)以不同速率逐渐降低线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者的电流在 相同时间段内达到电流数值相同且方向相反；此时，疏水性磁弹薄膜的凹陷位置 逐渐向线圈B的方向发生平移，直至线圈A与线圈B之间连线的中心位置处的 疏水性磁弹薄膜发生凹陷；该状态下，液滴在重力作用会随疏水性磁弹薄膜的凹 陷移动而平移至线圈A与线圈B之间连线的中心位置处；
3)继续逐渐降低线圈A和线圈B中的通电电流，且线圈A中通电电流的下 降速率大于线圈B中通电电流的下降速率，直至二者的电流在相同时间段内达到 电流最小值，即与步骤1)中电流最大值的数值相同且方向相反；此时，疏水性 磁弹薄膜的凹陷位置逐渐移动到线圈B正上方处，线圈A正上方的疏水性磁弹 薄膜变为凸起；该状态下，液滴在自身重力作用下逐渐移动到线圈B处疏水性磁 弹薄膜的凹陷部位；
4)将线圈A和线圈B中的通电电流逐渐减小至归零；此时，疏水性磁弹薄 膜恢复至原始水平状态，液滴移动过程完成。
一种采用上述基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平 面上斜向移动驱动方法，具体地，基于液滴从线圈A正上方斜向移动至其相邻对 角位置处的线圈D正上方的步骤如下：
1)由于线圈A、线圈B、线圈C和线圈D依次连线形成一个正方形，而线 圈A和线圈D处于正方形的对角位置上，因此，
以相同速率逐渐升高线圈B和线圈C中的通电电流，且线圈B中电流方向 使其产生与线圈B正上方磁块的磁化方向相反的磁场，线圈C的电流方向与线 圈B中电流方向相同，直至二者中的通电电流在相同时间段内达到电流数值最大 值；此时，线圈B和线圈C正上方的疏水性磁弹薄膜发生最大程度凸起；
与此同时，以线圈A中通电电流增加速度低于线圈D中通电电流增加速度 的方式，逐渐升高线圈A和线圈D中的通电电流，且线圈A中电流方向使其产 生与线圈A正上方磁块的磁化方向相同的磁场，线圈D的电流方向与线圈A中 电流方向相同，直至二者在相同时间段内分别达到各自的预定电流值；此时，线 圈A与线圈D之间位置上方的疏水性磁弹薄膜从发生凹陷并形成斜坡，使液滴 在重力作用下自线圈A正上方朝着线圈D的方向斜向移动至线圈D正上方；
2)线圈A、线圈B、线圈C和线圈D中的通电电流分别按照与步骤1)相 同的速率逐渐归零；此时，疏水性磁弹薄膜恢复至原始水平状态，液滴移动过程 完成。
一种采用上述基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平 面上液滴融合的驱动方法，其步骤为根据多个液滴在疏水性磁弹薄膜上的初始位 置和最终的终点位置，对自初始位置到终点位置属于横向移动或纵向移动的液滴 采用上述横向/纵向驱动方法实现，对自初始位置到终点位置属于斜向移动的液滴 采用上述斜向移动驱动方法实现；进而，当通多个液滴汇聚至同一终点位置时， 通过对终点位置处下方的柱形线圈持续以电流方向交替变换的方式通电，使终点 位置处的疏水性磁弹薄膜持续在凹陷和水平状态之间变化，即完成将汇聚到终点 位置处的液滴均匀地混合。
与现有技术相比，该基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其液滴移 动驱动方法采用超疏水性磁弹薄膜和微电磁线圈的液滴可编程平稳匀速移动控 制系统有着更好的灵活性，不影响液滴的基本性质，且有着对液滴特性相对较高 的耐受性，不改变液滴自身的理化性质，其精准操作在化学、生物、医疗等多个 领域都有着广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统的结构示意图；
图2为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统的分解结构示意 图；
图3为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统的疏水磁弹性薄 膜中的各磁块的磁化方向的示意图；
图4(a)为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统中设置在线 圈正上方的磁块在磁块磨具中的充磁示意图；
图4(b)为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统设置在两个 相邻线圈之间的磁块在磁块磨具中的充磁示意图；
图4(c)为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统设置在两个 相邻线圈之间的磁块在磁块磨具的充磁剖视图；
图5为本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统的疏水磁弹性薄 膜的制作流程示意图；
图6为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴横 纵向、斜向、混合运动的疏水性磁弹薄膜局部片段截取示意图；
图7为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴 横、纵向移动过程电流信号示意图；
图8为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴 横、纵向移动过程示意图；
图9为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴斜 向移动过程电流信号示意图；
图10为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴 斜向移动过程示意图；
图11为采用本发明的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现液滴 混合过程电流脉冲信号波型示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对 本发明有任何限制。
实施例1
如图1和图2所示，该基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统包括自下 而上设置在在固定支架1上的线圈组阵列5、PMMA支撑板4、硅橡胶层3和疏 水性磁弹薄膜2，以及与线圈组阵列5连接的电流控制系统；具体地，
如图2所示，固定支架1由自下而上依次设置的底板、下支架和上支架构成；
具体地，底板为一块水平设置的板体；
下支架由第一矩形框和四根支腿构成，四根支腿竖直设置并固定在第一矩形 框的四个顶角处，且四根支腿上部局部位于第一矩形框的上方；第一矩形框的尺 寸小于底板的尺寸，使下支架刚好支撑在底板的边沿处，并通过四根支腿使第一 矩形框间隔设置在底板的上方；
上支架由第二矩形框和四块限位板构成；第二矩形框与第一矩形框的尺寸相 同；四块限位板竖直设置并固定在第二矩形框的四个顶角处，且四块限位板在水 平方向上局部位于第二矩形框外侧，使上支架刚好支撑在下支架上，并通过四块 限位板使第二矩形框间隔设置在第一矩形框的上方；
线圈组阵列5由25根柱形线圈构成，其以5×5的阵列形式并采用竖直设置 的方式均布固定在底板上，具体地，位于同一横排或纵排中的每相邻两个柱形线 圈的间隔距离为10mm；各柱形线圈由在相同线圈套采用相同绕线方向环绕相同 匝数形成；在本实施例中，柱形线圈采用直径为0.2mm的铜线缠绕600匝制成； 另外，在具体实施过程中，通过对线圈组阵列5中各柱形线圈的匝数以及导线尺 寸进行调整可以实现对疏水性磁弹薄膜2形变程度的调整；
PMMA支撑板4为一块由聚甲基丙烯酸甲酯制成的厚度为1mm的矩形板， 其四个顶角处均切割有一个小矩形缺口，使PMMA支撑板4以四周边沿处压配 在第一矩形框的顶面上的方式水平设置在线圈组阵列5的上方；PMMA支撑板4 的作用在于支撑硅橡胶层3，且不会对隔绝线圈组阵列5形成的磁场；
硅橡胶层3为一块厚度为5mm的矩形板，其尺寸与下支架的尺寸相适应， 使硅橡胶层3压配在PMMA支撑板4和四根支腿的顶面上；硅橡胶层3的作用 在于相对于硬质板，硅橡胶层3的柔软性能够使疏水性磁弹薄膜2在磁场作用下 能够发生一定程度的形变；在本实施例中，硅橡胶层3采用高弹性铂催化硅橡胶 制成的硅橡胶板，具体采用产品
Supersoft 00-10制成的板体；
疏水性磁弹薄膜2由一张正方形薄膜和均布内嵌在薄膜中的65个相同尺寸 且经过磁化的正方形磁块构成；具体地，正方形薄膜采用高弹性铂催化硅橡胶制 成的薄膜，其边长为127mm、厚度为0.5mm；各正方形磁块尺寸相同，其边长 为3mm、厚度为0.5mm；位于相邻两个柱形线圈上方的磁块之间的间隔距离为 10mm；各磁块采用内混有铁如鹏磁性粒子的高弹性铂催化硅橡胶制成；在本实 施例中，磁块的弹性模量为3×106Pa；
如图3所示，65个磁块与位于下方底板上的25根柱形线圈之间的对应关系 为：在每个柱形线圈的正上方设置一个正方形磁块，且在横、纵两方向上每相邻 两个柱形线圈连线的中点处设置一个正方形磁块；具体地，65个正方形磁块在正 方形薄膜分布为五排第一磁块组和四排第二磁块组，且第一磁块组和第二磁块组 呈交替且等间隔排布；第一磁块组由9个等间隔排布的磁块构成；第二磁块组由 五个等间隔排布的磁块构成；
各正方形磁块预先经过不同磁化，其具体磁化方式为：位于各柱形线圈正上 方的磁块采用磁化方向垂直于水平面的方式磁化，且横、纵方向上位于相邻位置 上的两个磁块的磁化方向相反；位于各柱形线圈之间的磁块(即剩余磁块)采用 磁化方向沿水平面方向的方式磁化，且具体磁化方向根据位于其两侧的相邻磁块 的磁化方向决定，即磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化方向磁化形成的磁块位 置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成的磁块位置。
电流控制系统由上位机和25个电流信号发生器构成；25个电流信号发生器 分别与线圈组阵列5中的25个柱形线圈一一对应连接，以向指定柱形线圈发送 具有特定变化的电流信号；25个电流信号发生器还分别与上位机相连接，以通过 上位机控制各电流信号发生器送具有特定变化的电流信号。
实施例2
一种实施例1所述的可编程磁场控制液滴移动系统的疏水性磁弹薄膜的制备 方法，其具体步骤为：
步骤一、模具制作：
根据实施例1的疏水性磁弹薄膜2的尺寸，利用计算机设计用于疏水性磁弹 薄膜制作的模具三维模型，并使用高精度3D打印得到如图4所示的磁块制作模 具和如图5所示的疏水性磁弹薄膜制作模具；具体地，
如图4所示，磁块制作模具为一正方形模块，其正方形表面上均布开设有呈 田字格的四个正方形凹槽，每个正方向凹槽的槽宽为3mm、槽深为0.5mm；
如图5所示，疏水性磁弹薄膜制作模具由上模具和下模具构成；上模具为一 正方形模块，其正方形表面上均布开设有大正方形凹槽，并在大正方形凹槽的槽 底均布开设有65个小正方形凹槽；大正方形凹槽的槽宽为127mm、槽深为0.25mm；小正方形凹槽的槽宽为3mm、槽深为0.25mm；65个小正方形凹槽在 大正方形凹槽槽底的位置与实施例1中设计的65个磁块在薄膜上布设的位置相 适应；下模具与上模具结构相同，不同之处在于下模具的大正方形凹槽深度为 0.5mm、小正方形凹槽深度为0.5mm；
步骤二、磁块制作：
S2、将高弹性铂催化硅橡胶(
Supersoft 00-10)的材料A与材料B按 体积为1:1混合均匀，而后将高弹性铂催化硅橡胶与具有高磁能积及高剩磁的钕 铁硼磁性粒子(YMM-E-15-7)按质量比为1:1混合均匀，得到磁块原料；最后， 将磁块原料填入模具中凹槽处，将磁块原料填入模具中凹槽处并将其表面处理平 整，待磁块原料完全固化后即可取出，得到磁块；
步骤三、：磁块磁化：
如图4(a)所示，对将设置在柱形线圈上方的25个磁块放入充磁机中，以 垂直于水平面的方式进行磁化；并在使用时，根据对应位置不同采用正向方式或 反向方式布设，使其与实施例1设计的磁块布置方式一致；
如图4(b)和图4(c)所示，将剩余的40个磁块放入充磁机中，以沿水平 面方向的方式进行磁化；使用时，根据“磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化方 向磁化形成的磁块位置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成的 磁块位置”的原则进行布设，使其与实施例1设计的磁块布置方式一致；
步骤四、薄膜制作：
S401、如图5所示，将经过步骤S3得到的充磁磁块以实施例1设计好的排 列方式放入疏水性磁弹薄膜制备模具中的小正方形凹槽内，然后将高弹性铂催化 硅橡胶(
Supersoft 00-10)的材料A与材料B按体积为1:1混合均匀并填入 疏水性磁弹薄膜制备模具中的大正方形凹槽内，待硅胶完全固化后取出，得到半 成品疏水性磁弹薄膜；
S402、如图5所示，将经过步骤S401得到的半成品疏水性磁弹薄膜翻转后， 利用另一个疏水性磁弹薄膜制备模具中，并向其中填充由高弹性铂催化硅橡胶 (
Supersoft 00-10)的材料A与材料B按体积为1:1混合均匀并填入，将上 表面处理平整后，待其完全固化后取出，得到磁弹性薄膜，以模具最边缘处上表 面为水平面，模具二的凹槽深度为0.5mm；
S403、采用光束直径为2μm、功率为4w的激光，对步骤S402得到的磁弹 性薄膜以200mm/s的扫描速度进行表面烧蚀，以进一步提高薄膜的疏水性能，得 到疏水性磁弹薄膜。
实施例3
该可编程磁场控制液滴移动系统可实现控制液滴在平台上进行横、纵向运 动，斜向连续匀速运动，以及多液滴混合功能；
具体地，如图6所示，依据柱形线圈所在的行数和列数，对线圈组阵列5中 的25根柱形线圈进行编号并命名；进而通过对相应柱形线圈的电流进行特定控 制，以实现液滴的定向移动；
I、一种利用可编程磁场控制液滴移动系统实现驱动液滴在平台上进行横向 或纵向运动的方法，其具体步骤为：
以液滴从线圈(1,1)位置从左向右横向移动至线圈(1,2)为例；具体地，
将左侧起始点处的线圈称为线圈(1,1)，其移动后的目标点位为右侧的线圈 (1,2)；同时，设定液滴由线圈(1,1)移动到线圈(1,2)的整个周期为时间t， 各柱形线圈的电流控制信号如图7(a)和图7(b)所示，对应地，即：
在0～1/6t时，线圈(1,1)的电流与线圈(1,2)的电流逐渐增大至1A，疏水 性磁弹薄膜在形成线圈(1,1)处逐渐产生最大程度凹陷，线圈(1,2)处逐渐产 生最大程度凸起，使液滴在重力作用下滑落至线圈(1,1)处疏水性磁弹薄膜的凹 陷位置；
在1/6t～1/2t时，线圈(1,1)与线圈(1,2)中的电流均逐渐降低，且线圈(1,2) 的下降速率大于线圈(1,1)的下降速率，在1/2t时线圈(1,1)与线圈(1,2)的 电流大小相等，均为0.5A且方向相反；此时，疏水性磁弹薄膜的凹陷位置逐渐 由线圈(1,1)处移至两线圈中间部分，液滴由重力作用会随疏水性磁弹薄膜的凹 陷移动而发生平移；
在1/2t～5/6t时，两线圈电流继续降低，且线圈(1,1)的下降速率大于线圈 (1,2)的下降速率，在5/6t时同时达到反向电流的最大峰值1A，疏水性磁弹薄 膜的凹陷位置逐渐移动到线圈(1,2)处，并在线圈(1,1)处凸起，使液滴在自 身重力作用下逐渐移动到线圈(1,2)处疏水性磁弹薄膜的凹陷部位；
在5/6t～t时，线圈(1,1)与线圈(1,2)中电流均逐渐减小直至归零，平台 最终回归水平，液滴移动过程完成。整个运动过程如图8所示。
如图7(c)和图7(d)所示，当控制液滴横向从右向左移动时，其控制信 号主要区别为线圈(1,1)与线圈2信号互换，且电流方向相反。纵向移动由上至 下移动液滴时的控制信号与横向移动液滴从左至右的方法相同，纵向移动由下至 上移动液滴时的控制信号与横向移动液滴从右至左的方法相同。
Ⅱ、一种利用可编程磁场控制液滴移动系统实现驱动液滴在平台上进行斜向 运动的方法，其具体步骤为：
以液滴自线圈(1,3)斜向移动至线圈(2,4)为例，该过程通过按照如图9 (a)所示的对线圈(1,3)的电流控制方式、如图9(b)所示的对线圈(1,4)的 电流控制方式、如图9(c)所示的对线圈(2,3)的电流控制方式、以及如图9 (d)所示的对线圈(2,4)的电流控制实现；具体地，
向线圈(1,4)、线圈(2,3)通入同等大小的反向电流与磁块构成排斥力，使 得疏水性磁弹薄膜在线圈(2,3)、线圈(1,4)处形成凸起，同时向线圈(1,3)、 线圈(2,4)通入增加速度不同的反向电流与磁块构成吸引力，其中线圈(1,3) 的反向电流增加速度要低于线圈(2,4)的反向电流增加速度，从而使得线圈(1,3) 与线圈(2,4)之间的凹陷部分形成斜坡，从而实现液滴在重力作用下沿线圈(1,3) 指向线圈(2,4)的方向的斜向移动；随后各个线圈中电流逐渐归零，疏水性次回 归水平，液滴移动过程完成。
Ⅲ、一种利用可编程磁场控制液滴移动系统实现驱动液滴在平台上液滴融合 的方法，其具体步骤为：
以如图6中所示的液滴混合截取片断部分为例，采用液滴横向及纵向连续匀 速移动的控制方法，使线圈(4,1)处的液滴横向向右匀速移动到线圈(4,2)，或 线圈(4,3)处的液滴横向向左匀速移动到线圈(4,2)，线圈(3,2)处的液滴纵向 向下匀速移动到线圈(4,2)，线圈(5,2)处的液滴纵向向上匀速移动到线圈(4,2)； 当各个液滴汇聚到线圈(4,2)处时，通入间歇脉冲信号对液滴进行震荡，从而使 多液滴混合；
或，以如图6中所示的液滴混合截取片断部分为例，采用液滴斜向连续匀速 移动的控制方法，使线圈(5,1)处的液滴斜向匀速移动到线圈(4,2)，线圈(3,1) 处的液滴斜向匀速移动到线圈(4,2)，线圈(3,3)处的液滴斜向匀速移动到线圈 (4,2)，线圈(5,3)处的液滴斜向匀速移动到线圈(4,2)；当各个液滴汇聚到线 圈(4,2)处时，通入间歇脉冲信号对液滴进行震荡，从而使多液滴混合。
Claims (9)
1.一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，包括自下而上设置在在固定支架(1)上的线圈组阵列(5)、支撑板(4)、硅橡胶层(3)和疏水性磁弹薄膜(2)；其中，
线圈组阵列(5)由若干根柱形线圈构成，其以M×N的均布排列的阵列形式并采用竖直设置的方式均布固定在底板上，M和N均为大于1的整数；各柱形线圈由在相同线圈套采用相同绕线方向环绕相同匝数形成；
支撑板(4)采用能够使磁场穿透的硬性制成板，其水平设置在线圈组阵列(5)的上方；硅橡胶层(3)水平铺设在支撑板(4)的上表面；
疏水性磁弹薄膜(2)由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个具有相同尺寸且均经过磁化的磁块构成；若干个磁块的数量与设置位置与线圈组阵列(5)中柱形线圈的数量与位置相关：在每个柱形线圈的正上方设置一个磁块，且在横、纵两方向上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个磁块；各磁块预先磁化为：位于各柱形线圈正上方的磁块采用磁化方向垂直于水平面的方式磁化，且横、纵方向上位于相邻位置上的两个磁块的磁化方向相反；位于各柱形线圈之间的磁块采用磁化方向沿水平面方向的方式磁化，且磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化方向磁化形成的磁块位置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成的磁块位置。
2.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，固定支架(1)由自下而上依次设置的底板、下支架和上支架构成；其中，底板为一块水平设置的板体；下支架由第一矩形框和四根支腿构成，四根支腿竖直设置并固定在第一矩形框的四个顶角处，且四根支腿上部局部位于第一矩形框的上方；第一矩形框的尺寸小于底板的尺寸，使下支架刚好支撑在底板的边沿处，并通过四根支腿使第一矩形框间隔设置在底板的上方；上支架由第二矩形框和四块限位板构成；第二矩形框与第一矩形框的尺寸相同；四块限位板竖直设置并固定在第二矩形框的四个顶角处，且四块限位板在水平方向上局部位于第二矩形框外侧，使上支架刚好支撑在下支架上，并通过四块限位板使第二矩形框间隔设置在第一矩形框的上方。
3.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，支撑板(4)采用PMMA支撑板。
4.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，硅橡胶层(3)采用高弹性铂催化硅橡胶制成的硅橡胶板；疏水性磁弹薄膜(2)采用高弹性铂催化硅橡胶制成的薄膜中内嵌具有规则排列的磁化磁块；磁块为由高弹性铂催化硅橡胶与钕铁硼磁性粒子混合均匀并固化而成的正方体磁块。
5.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，疏水性磁弹薄膜(2)的制备方法包括模具磁块制作、磁块磁化和疏水性磁弹膜制作；其中，
磁块制作的制备方法为：将高弹性铂催化硅橡胶的材料A与材料B按体积为1:1混合均匀，而后将高弹性铂催化硅橡胶与具有高磁能积及高剩磁的钕铁硼磁性粒子按质量比为1:1混合均匀，得到磁块原料；最后，将磁块原料填入模具中，待完全固化后得到磁块；
疏水性磁弹膜的制备方法为：将磁化好的磁块放入模具中，通过填充由高弹性铂催化硅橡胶原料并固化，制备形成内嵌有磁块的薄膜；而后，采用光束直径为2μm、功率为4W的激光，对步骤S402得到的磁弹性薄膜以200mm/s的扫描速度进行表面烧蚀。
6.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，还包括与线圈组阵列(5)连接的电流控制系统；电流控制系统由上位机和若干个电流信号发生器构成；若干个电流信号发生器一端分别与上位机连接、另一端分别一一对应地与线圈组阵列(5)中的各柱形线圈连接。
7.一种采用如权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平面上横向匀速移动或纵向匀速移动驱动方法，其特征在于，基于液滴从线圈A正上方横向或纵向匀速移动至相邻侧线圈B正上方的步骤如下：
1)以相同速率逐渐升高线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者在相同时间段内达到电流最大值，且线圈A中电流方向使其产生与线圈A正上方磁块的磁化方向相同的磁场，线圈B的电流方向与线圈A中电流方向相同；此时，线圈A正上方的疏水性磁弹薄膜在磁场作用发生最大程度凹陷，而线圈B正上方的疏水性磁弹薄膜在磁场作用下发生最大程度凸起；该状态下，液滴在重力作用下滑落至线圈A正上方的疏水性磁弹薄膜的凹陷处，液滴的重力势能转化为动能；
2)以不同速率逐渐降低线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者的电流在相同时间段内达到电流数值相同且方向相反；此时，疏水性磁弹薄膜的凹陷位置逐渐向线圈B的方向发生平移，直至线圈A与线圈B之间连线的中心位置处的疏水性磁弹薄膜发生凹陷；该状态下，液滴在重力作用会随疏水性磁弹薄膜的凹陷移动而平移至线圈A与线圈B之间连线的中心位置处；
3)继续逐渐降低线圈A和线圈B中的通电电流，且线圈A中通电电流的下降速率大于线圈B中通电电流的下降速率，直至二者的电流在相同时间段内达到电流最小值，即与步骤1)中电流最大值的数值相同且方向相反；此时，疏水性磁弹薄膜的凹陷位置逐渐移动到线圈B正上方处，线圈A正上方的疏水性磁弹薄膜变为凸起；该状态下，液滴在自身重力作用下逐渐移动到线圈B处疏水性磁弹薄膜的凹陷部位；
4)将线圈A和线圈B中的通电电流逐渐减小至归零；此时，疏水性磁弹薄膜恢复至原始水平状态，液滴移动过程完成。
8.一种采用如权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平面上斜向移动驱动方法，其特征在于，基于液滴从线圈A正上方斜向移动至其相邻对角位置处的线圈D正上方的步骤如下：
1)由于线圈A、线圈B、线圈C和线圈D依次连线形成一个正方形，而线圈A和线圈D处于正方形的对角位置上，因此，
以相同速率逐渐升高线圈B和线圈C中的通电电流，且线圈B中电流方向使其产生与线圈B正上方磁块的磁化方向相反的磁场，线圈C的电流方向与线圈B中电流方向相同，直至二者中的通电电流在相同时间段内达到电流数值最大值；此时，线圈B和线圈C正上方的疏水性磁弹薄膜发生最大程度凸起；
与此同时，以线圈A中通电电流增加速度低于线圈D中通电电流增加速度的方式，逐渐升高线圈A和线圈D中的通电电流，且线圈A中电流方向使其产生与线圈A正上方磁块的磁化方向相同的磁场，线圈D的电流方向与线圈A中电流方向相同，直至二者在相同时间段内分别达到各自的预定电流值；此时，线圈A与线圈D之间位置上方的疏水性磁弹薄膜从发生凹陷并形成斜坡，使液滴在重力作用下自线圈A正上方朝着线圈D的方向斜向移动至线圈D正上方；
2)线圈A、线圈B、线圈C和线圈D中的通电电流分别按照与步骤1)相同的速率逐渐归零；此时，疏水性磁弹薄膜恢复至原始水平状态，液滴移动过程完成。
9.一种采用如权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平面上液滴融合的驱动方法，其特征在于，其步骤为根据多个液滴在疏水性磁弹薄膜上的初始位置和最终的终点位置，对自初始位置到终点位置属于横向移动或纵向移动的液滴采用如权利要求7所述的驱动方法实现，对自初始位置到终点位置属于斜向移动的液滴采用如权利要求8所述的驱动方法实现；进而，当通多个液滴汇聚至同一终点位置时，通过对终点位置处下方的柱形线圈持续以电流方向交替变换的方式通电，使终点位置处的疏水性磁弹薄膜持续在凹陷和水平状态之间变化，即完成将汇聚到终点位置处的液滴均匀地混合。
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