數(shù)字微流控芯片是一種新興的微流控技術(shù),具有微型化、自動化、低成本和高效率的特點,能有效加快生化檢測和分析的進行。因此,該技術(shù)在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測和藥物制備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。液滴路徑規(guī)劃是數(shù)字微流控芯片高級綜合的核心步驟之一,旨在規(guī)劃一組液滴的移動路徑,要求液滴能夠正確執(zhí)行生化檢測和分析的反應(yīng)流程。在液滴的移動過程中,規(guī)劃算法要避免液滴之間可能發(fā)生的意外混合,同時要滿足時間約束。通常將最小化最晚到達終點的液滴的完成時間和最小化液滴移動過程中電極使用數(shù)量作為液滴路徑規(guī)劃問題的優(yōu)化目標(biāo)。為了有效解決液滴路徑規(guī)劃問題,本文先對問題進行建模,明確輸入輸出、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)。針對四種不同的液滴意外混合場景,本文采用四種不同的方法避免液滴之間的意外混合。進一步,本文提出了一種基于演化路徑優(yōu)先級的液滴路徑規(guī)劃算法,算法包含演化算法部分和路徑搜索算法部分。演化算法以路徑優(yōu)先級作為個體編碼,用于搜索最優(yōu)的液滴路徑規(guī)劃順序。路徑搜索算法是在給定路徑優(yōu)先級條件下,獲取所有液滴的移動路徑。路徑搜索算法分為兩個步驟,第一個步驟在忽略時序的情況下,在Dijkstra算法中引入代價函數(shù),使液滴有傾向性地選擇... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

b)所示，液滴就夾在上下兩塊層板之間，層板一般采用石英玻璃或者印刷電路板作為基底材料，在與液滴接觸的兩側(cè)平面是絕緣層，絕緣層上面會涂抹硅油，作為疏水層，同時防止液滴的揮發(fā)[13]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-5-混合操作M1，接著執(zhí)行混合操作M2，最后再進行檢測操作。在物理級綜合中，模塊布局就是在芯片上確定各個反應(yīng)模塊的位置，各個模塊之間不能夠相鄰，需要保持至少一個網(wǎng)格間隔。最后是液滴路徑規(guī)劃，需要將液滴移動至各自的目的地。從數(shù)字微流控芯片的綜合流程來看，本文所研究的問題就是物理級綜合階段的液滴路徑規(guī)劃。圖1-2數(shù)字微流控芯片的設(shè)計流程[11]1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外的科研人員最早對數(shù)字微流控芯片液滴路徑規(guī)劃問題進行研究，國內(nèi)的研究者也緊隨其后進行深入研究。目前國內(nèi)外研究者在該問題上取得了不少進展，當(dāng)前仍有不少研究者提出自己的方法解決各式各樣的液滴路徑規(guī)劃問題。在國外，對液滴路徑規(guī)劃問題有深入研究的機構(gòu)眾多，主要包括美國杜克大學(xué)Chakrabarty教授領(lǐng)導(dǎo)的微流體實驗室、阿茲塞太平洋大學(xué)Grissom教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以及印度理工大學(xué)研究團隊等。在國內(nèi)研究液滴路徑規(guī)劃問題的單位包括清華大學(xué)、香

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-9-第2章液滴路徑規(guī)劃模型液滴路徑規(guī)劃問題是數(shù)字微流控芯片物理級綜合的核心步驟之一。在本章的2.1節(jié)和2.2節(jié)中分別描述液滴路徑規(guī)劃問題和液滴的靜態(tài)和動態(tài)約束，在2.3節(jié)中對問題進行建模，明確輸入輸出、優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。在2.4節(jié)中對實際的生化反應(yīng)問題進行分解處理。2.1液滴路徑規(guī)劃問題描述液滴路徑規(guī)劃的問題就在給定的數(shù)字微流控芯片上，將一系列液滴在規(guī)定的時間之內(nèi)從各自的起點移動至各自的終點，在液滴移動過程中要避免液滴之間的意外的混合，同時應(yīng)該讓液滴的移動路徑盡可能的短。由于在某一時間間隔中，一些液滴在操作模塊中進行著混合或者稀釋操作，這時操作模塊所在的網(wǎng)格對正在移動的液滴來說是的不可進入。液滴在芯片上有5種移動方式，如圖2-1所示，液滴在t時刻處在位置(x,y)，在t+1時刻除了上、下、左、右這4種移動方式外，液滴還可以保持在原位置。液滴進行移動過程中，要保證液滴不能移動到芯片的邊界之外。圖2-1液滴的移動方式如圖2-2所示，在圖2-2a)中，數(shù)字微流控芯片的尺寸為66，芯片上面的灰色區(qū)域被當(dāng)做是障礙區(qū)域，液滴不可進入，在芯片上有四個需要移動的液滴。以左下角的網(wǎng)格的位置作為原點(0,0)，液滴d1和d2分別從位置(4,5)，(3,0)移動到(5,0)，(1,0)，而液滴d3和d4將會被移動到同一個網(wǎng)格(2,4)進行混合。在圖2-2b)中給出了一個可行的液滴移動方案，所有液滴在6個時間步長內(nèi)就可以移動到對應(yīng)的終點。


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