一种基于脑电和眼电信号协同控制液滴的微流控系统及方法

本发明属于微流控，具体涉及一种基于脑电和眼电信号协同控制液滴的微流控系统及方法。

背景技术：

1、液滴是一个小的液体室，部分或完全由自由界面包围，由于其灵活性和独立性的优势，液滴在多个领域得到了广泛的应用，包括工业、农业、化学工程、生物医学工程。在生物医学领域，液滴可以提供单独的隔间，作为小型生物反应器用于诊断和药物筛选。随着微流控技术的发展，基于液滴的系统可以满足在单个系统上进行小体积实验的要求；对于这样的应用，根据需要操纵液滴是至关重要的，这可能包括多个步骤，如液滴产生，移动，融合和分离。近年来，电、磁、声、光、热、机械应力等各种外场由于能够促进液滴的定向操纵，被广泛应用于液滴操纵的研究中。

2、1997年，washizu等人首次报道了静电驱动超疏水表面上的水滴。随后，越来越多的人参与到液滴操纵的研究中，液滴操纵也越来越受到关注。随着研究的深入，液滴操纵的研究重点逐渐从理论模型和实验模拟转向实际应用。同时，许多过去的研究成果表明，从实现单一的、短距离的液滴驱动到逐步实现复杂的、可编程的、智能的液滴操纵，液滴操纵的研究完成了一个非常惊人的飞跃。近年来，液滴操纵技术的研究主要集中在各种外力作用下，液滴在各种功能表面上的定向运动。经过不断的尝试，液滴操作取得了进步，解决了液滴操作速度慢、距离有限的问题，实现了更高效、无损、准确的液滴操作控制。例如，yang的团队将超疏水磁膜和电磁柱阵列结合在一起进行了可编程的液滴操纵实验。即通过对超疏水磁膜下的电磁柱阵列进行激励，通过编程改变超疏水磁膜的表面形貌，利用重力实现高效、精确的液滴操纵运动。该平台提供了一种不含任何添加剂的纯液滴操作方法，具有更好的液滴操作可扩展性和可编程性。最近，zhang的团队报道了一种可重构的铁磁流体金属机器人，该机器人可以解决磁场液滴操作中有限的灵活性和多功能性。可重构铁磁流体金属机器人可以在受限环境中实现稳定的输送、释放、分裂、合并等多种液滴操作行为，并能高效地完成多个液滴的协同操作。此外，他们还揭示了机器人的潜在理论机制。这些工作将在微流体等领域发挥重要作用。

3、目前，人们虽运用电、磁、声、光、热、机械应力等各种外场来调控液滴，但在实际使用中仍存在诸多问题。一类方案依赖于外部控制设备，而这些设备往往价格高昂、操作繁琐且不够便携。另一类调控液滴的方案需要依赖人体接触操作，在操作上存在操作疲劳、失误等问题。同时在实际应用中暴露于非牛顿流体或活性生物液体(如血液、唾液、尿液等)中的感染性病原体(如细菌、病毒等病原体)会对临床实验室人员的生命健康构成严重风险。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于脑电和眼电信号协同控制液滴的微流控系统及方法，该微流控系统通过脑电和眼电两种信号协同控制执行器，执行器执行后拨动微流控通道上的液滴，液滴沿预设的微流控通道进行传输，从而方便地实现对液滴的远程、免提式控制。微流控通道旁的预设位置设置有多个led，多个led处于流水状态(多个led依次点亮，任意时刻只有一个led亮)，其流水速度受脑电信号中的人脑专注度值控制，人脑专注度值越大，流水速度越快，人脑专注度值越小，流水速度越慢。当某路led亮的时候，如果使用人员眨眼，控制系统检测到眼电信号，控制该路执行器执行，执行器在电热效应作用下发生形变，从而拨动液滴，使其沿所处位置的微流控通道定向传输；或使同一执行器发生不同程度的形变，从而拨动液滴使液滴选择不同的微流控通道定向传输。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种基于脑电和眼电信号协同控制液滴的微流控系统，包括脑机接口装置1、控制系统2及微流控芯片3，所述脑机接口装置1包括多孔电极4和脑电波模块5；所述控制系统2包括单片机板6、蓝牙模块7和继电器模块8；所述微流控芯片3包括led9、执行器10和微流控通道11；所述多孔电极4通过导线与所述脑电波模块5上电极对应的焊盘相连，脑电波模块5与所述蓝牙模块7通信连接，所述单片机板6通过导线与蓝牙模块7、继电器模块8及led9连接，继电器模块8通过导线与所述执行器10连接；所述led9、执行器10及微流控通道11均集成在微流控芯片3上，且led9和执行器10根据所述微流控通道11的设计安装在微流控通道11旁边的预设位置；所述多孔电极4用于采集脑电信号及眼电信号，并传递给脑电波模块5，脑电波模块5用于处理接收到的脑电信号及眼电信号，计算得到人脑专注度值数据，并将数据发送至蓝牙模块7，单片机板6用于处理和分析蓝牙模块7接收到的数据，并控制led9流水及相应的执行器10拨动微流控通道11上的液滴，液滴被执行器10拨动之后沿预设的微流控通道11进行传输。

4、进一步地，所述多孔电极4包括测量电极、参考电极及接地电极，所述测量电极放置于使用人员的额头处，用于测量前额叶脑电信号及眼电信号，所述参考电极及接地电极分别放置于使用人员的左右耳垂处。

5、进一步地，所述多孔电极4通过如下方法制备得到，具体包括如下步骤：

6、a1、将白砂糖颗粒放入模具中并压实，以形成所需的形状和尺寸；

7、a2、将pdms预聚物与固化剂以质量比为10:1的比例混合得到的溶液倒入上述模具中，用真空干燥箱去除气泡之后，在80℃下固化3h，随后将其置于100℃的热水浴中1h，使白砂糖颗粒溶解，干燥之后得到多孔的聚二甲基硅氧烷模板；

8、a3、将多壁碳纳米管加入到无水乙醇中，经超声波清洗机分散4h，然后将多壁碳纳米管分散液滴涂到多孔的聚二甲基硅氧烷模板上并干燥，重复滴涂和干燥操作多次，得到多孔电极，所述多孔电极在使用前需在与皮肤接触的一侧涂覆医用导电膏。

9、进一步地，所述单片机板6接收来自所述脑电波模块5发送的数据，提取数据中十六进制脑电信号数据、眼电信号数据及人脑专注度值，并将十六进制脑电信号数据及眼电信号数据转化为以微伏为单位的原始脑电波电压信号数据。

10、进一步地，所述执行器10通过如下方法制备得到，具体包括如下步骤：

11、b1、将预设的蛇形图案导入到紫外激光器的控制软件中，用紫外激光器将铜镍导电布切割为预设的蛇形图案；

12、b2、使用机械切割，将聚乙烯薄膜和nomex切割为与蛇形图案的导电布相同大小的矩形条；

13、b3、将聚乙烯薄膜矩形条和nomex矩形条分别粘附在蛇形图案的导电布的正面和背面；

14、b4、将聚二乙烯基苯加入到无水乙醇中，经超声波清洗机分散40min；然后将步骤b3获得的材料浸涂聚二乙烯基苯分散液并干燥，重复浸涂和干燥操作多次后获得执行器。

15、进一步地，所述执行器10的长宽比为7:1-5:1，驱动电流为0.1-1a，接触角为151°-160°。

16、进一步地，所述微流控通道11通过如下方法制备得到，具体包括如下步骤：

17、c1、使用co2激光器在亚克力板上按预设图案加工出微流控通道的反结构；

18、c2、然后将pdms预聚物与固化剂以质量比为10:1的比例混合得到的溶液倒入亚克力板上的微流控通道反结构中，用真空干燥箱去除气泡之后，在80℃下固化3h，将聚二甲基硅氧烷模板揭下；

19、c3、使用co2激光器对聚二甲基硅氧烷模板具有微流控通道的一面扫描以对其疏水改性，获得微流控通道。

20、另一方面，本发明还提供了一种基于脑电和眼电信号协同控制液滴的微流控系统的控制方法，具体包括如下步骤：

21、步骤一：使用人员将脑机接口装置1佩戴在头部，其中，测量电极放置于使用人员额头，测量前额叶脑电信号及眼电信号，将参考电极和接地电极分别佩戴于左右耳垂；

22、步骤二：将控制系统2和微流控芯片3放置于桌面上，其中，微流控芯片3根据微流控通道11的设计调整方向后与水平面倾角放置1-10°，使液滴能够凭借重力在微流控通道11中传输；

23、步骤三：启动系统，led9进入流水状态，当某路led亮的时候，使用人员眨眼，眼电信号耦合到脑电信号中，所述控制系统2通过门限检测法检测到眼电信号；

24、步骤四：所述控制系统2检测到上述眼电信号，控制该路执行器10在电热效应作用下发生形变，从而拨动液滴，使其沿所处位置的微流控通道11定向传输；或控制同一执行器10发生不同程度的形变，从而拨动液滴使液滴选择不同的微流控通道11定向传输。

25、进一步地，步骤三中，所述门限检测法的检测对象为原始脑电波电压信号数据，选定的阈值为垂直眼电信号的谷底值和上升时间。

26、与现有技术相比，本发明的优点如下：

27、1、本发明利用脑电和眼电信号控制技术，实现了高度自适应的交互方式；由于无需手部操作，该技术具有更强的环境适应性。

28、2、本发明通过将脑电及眼电协同控制方式、超疏水柔性电热执行器和微流控芯片结合起来，实现了一个在交互上无接触、简单自然，硬件上低成本、轻便，能够按需、远程、精准地控制微流控芯片上的液滴的系统，从而为微流控系统的研究和应用提供了新的方法。