近年来，由于一项名为微流控的技术，生化实验室的规模不断缩小。这项技术能够在硅芯片中雕刻的微小迷宫状通道中泵送液体，然后以微观尺度混合、反应和分离它们。因此，以前需要整个实验台才能完成的技术，现在可以使用微流控芯片在微观尺度上完成。
这些塑料芯片包含复杂的通道、泵、混合室、检测区等。但在这些塑料芯片的顶部，集成电路控制着泵的开关、通道的开合等等。这些电路是微流控芯片的大脑，将这种电子机械和流体力学结合起来的需要大大增加了设备的复杂性。
现在，得益于西北大学的 Daniel Case 及其同事的工作，这种情况有望改变。该团队找到了一种无需任何电子控制即可控制、切换甚至反转这些通道中流体流动的方法。
“这些发现有可能推动微流控网络中内置控制机制的发展，从而促进创建有一天可能像微电子电路一样可控的便携式系统，”该团队表示。
交通堵塞
这种新流体行为背后的原理在网络科学中相对较有名：布雷斯悖论。这种现象的一个例子是，当一条主要道路关闭时，交通流量增加；或者增加额外的道路反而减少了总流量。
例如，1990年，纽约市交通局为了庆祝地球日关闭了42街。这条路经常堵塞，所以纽约人预料到情况会很糟。但令所有人惊讶的是，交通流量实际上有所改善。
这种自相矛盾的行为原来很常见。它发生在电力网络、食物网，甚至在某些运动比赛中形成的传球网络中。在1998年NBA季后赛期间，纽约尼克斯队因伤失去了他们最好的球员，但最终却表现得更好。原因可能就是布雷斯悖论。
它的产生是因为网络本身会影响流经它的流量。因此，一条主要道路会吸引汽车，即使有更快的路线可用。关闭它，交通就会被迫探索其他更快的路线。相反，一条新道路可能会吸引过多的交通，从而造成拥堵。
同样，篮球场上最好的球员会以一种对手可以针对的方式吸引球。失去他或她，球就必须以不同的方式在球队中移动，从而创造出一种更难防守的不同类型的打法。
这正是 Craig 及其团队在微流控网络中利用的现象。在通常情况下，流体流动是线性的——增加压力，流量也随之增加。
但 Craig 的团队发现如何使流体通过特定通道模式呈非线性。这种模式本质上是两条长通道，中间由第三条通道连接，形成一个 H 形。因此，液体可以沿着两条长通道流动，穿过连接通道，然后从通道底部流出。
该团队通过在 H 形网络一条腿的下半部分放置圆柱形障碍物来引入非线性。这会在那条腿中引起湍流，使压力呈非线性变化。
该团队发现，改变 H 形顶部和底部的压差会导致各种有趣的、可重复的行为。例如，他们只需改变这个压差，就可以反转通过连接通道的流向。换句话说，他们可以将其用作开关。
流体开关
他们发现，在某些压力下，当连接通道关闭时，通过 H 的总流量会增加。换句话说，他们可以通过关闭一个通道来增加通过 H 网络的总流量；这与纽约 42 街和尼克斯队的经历完全类似。
“我们表明，这些网络表现出一种实验支持的布雷斯悖论的流体模拟，其中关闭中间通道会导致更高的而不是更低的总流量，”他们说。
这在微流控网络中具有巨大的潜力。它表明微流控网络的控制复杂性可以大大降低。“我们的结果展示了一种通过编码在网络结构中的控制机制以及外部机制，在微流控网络中进行路由和切换的方法，”克雷格及其同事说。
但他们暗示了更令人兴奋的事情。如果 H 网络可以充当开关，那么将它们连接起来以执行逻辑操作就不是天方夜谭。如果这成为可能，那么将这种逻辑构建到微流控电路本身中可能就可行了。
克雷格的团队并没有走那么远。这种流体学显然存在很大的复杂性，在以这种方式控制或利用它之前，必须对其有深入的理解。
但与此同时，微流控设备应该变得更小、更便宜、功能更强大。克雷格及其同事的工作在这方面无疑描绘了一个乐观的未来。
参考文献：arxiv.org/abs/2005.13567：微流控网络中的布雷斯悖论和可编程行为
