基于演化路径优先级的数字微流控芯片液滴路径规划算法研究

发布时间：2021-06-26 01:46

　　数字微流控芯片是一种新兴的微流控技术,具有微型化、自动化、低成本和高效率的特点,能有效加快生化检测和分析的进行。因此,该技术在临床诊断、环境监测和药物制备等领域具有重要的应用价值。液滴路径规划是数字微流控芯片高级综合的核心步骤之一,旨在规划一组液滴的移动路径,要求液滴能够正确执行生化检测和分析的反应流程。在液滴的移动过程中,规划算法要避免液滴之间可能发生的意外混合,同时要满足时间约束。通常将最小化最晚到达终点的液滴的完成时间和最小化液滴移动过程中电极使用数量作为液滴路径规划问题的优化目标。为了有效解决液滴路径规划问题,本文先对问题进行建模,明确输入输出、约束条件和优化目标。针对四种不同的液滴意外混合场景,本文采用四种不同的方法避免液滴之间的意外混合。进一步,本文提出了一种基于演化路径优先级的液滴路径规划算法,算法包含演化算法部分和路径搜索算法部分。演化算法以路径优先级作为个体编码,用于搜索最优的液滴路径规划顺序。路径搜索算法是在给定路径优先级条件下,获取所有液滴的移动路径。路径搜索算法分为两个步骤,第一个步骤在忽略时序的情况下,在Dijkstra算法中引入代价函数,使液滴有倾向性地选择... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：硕士

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b)所示，液滴就夹在上下两块层板之间，层板一般采用石英玻璃或者印刷电路板作为基底材料，在与液滴接触的两侧平面是绝缘层，绝缘层上面会涂抹硅油，作为疏水层，同时防止液滴的挥发[13]

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-混合操作M1，接着执行混合操作M2，最后再进行检测操作。在物理级综合中，模块布局就是在芯片上确定各个反应模块的位置，各个模块之间不能够相邻，需要保持至少一个网格间隔。最后是液滴路径规划，需要将液滴移动至各自的目的地。从数字微流控芯片的综合流程来看，本文所研究的问题就是物理级综合阶段的液滴路径规划。图1-2数字微流控芯片的设计流程[11]1.3国内外研究现状国外的科研人员最早对数字微流控芯片液滴路径规划问题进行研究，国内的研究者也紧随其后进行深入研究。目前国内外研究者在该问题上取得了不少进展，当前仍有不少研究者提出自己的方法解决各式各样的液滴路径规划问题。在国外，对液滴路径规划问题有深入研究的机构众多，主要包括美国杜克大学Chakrabarty教授领导的微流体实验室、阿兹塞太平洋大学Grissom教授领导的研究小组以及印度理工大学研究团队等。在国内研究液滴路径规划问题的单位包括清华大学、香

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-第2章液滴路径规划模型液滴路径规划问题是数字微流控芯片物理级综合的核心步骤之一。在本章的2.1节和2.2节中分别描述液滴路径规划问题和液滴的静态和动态约束，在2.3节中对问题进行建模，明确输入输出、优化目标和约束条件。在2.4节中对实际的生化反应问题进行分解处理。2.1液滴路径规划问题描述液滴路径规划的问题就在给定的数字微流控芯片上，将一系列液滴在规定的时间之内从各自的起点移动至各自的终点，在液滴移动过程中要避免液滴之间的意外的混合，同时应该让液滴的移动路径尽可能的短。由于在某一时间间隔中，一些液滴在操作模块中进行着混合或者稀释操作，这时操作模块所在的网格对正在移动的液滴来说是的不可进入。液滴在芯片上有5种移动方式，如图2-1所示，液滴在t时刻处在位置(x,y)，在t+1时刻除了上、下、左、右这4种移动方式外，液滴还可以保持在原位置。液滴进行移动过程中，要保证液滴不能移动到芯片的边界之外。图2-1液滴的移动方式如图2-2所示，在图2-2a)中，数字微流控芯片的尺寸为66，芯片上面的灰色区域被当做是障碍区域，液滴不可进入，在芯片上有四个需要移动的液滴。以左下角的网格的位置作为原点(0,0)，液滴d1和d2分别从位置(4,5)，(3,0)移动到(5,0)，(1,0)，而液滴d3和d4将会被移动到同一个网格(2,4)进行混合。在图2-2b)中给出了一个可行的液滴移动方案，所有液滴在6个时间步长内就可以移动到对应的终点。


本文编号：3250378