造一個美術(shù)館，在芯片上
提到實驗室，大家一定都不陌生，不論文科理科生，在學(xué)校的時候多多少少去過一兩次。實驗室里的器材設(shè)備琳瑯滿目，操作方式繁復(fù)而嚴謹，在這個講究極簡美學(xué)、流行量子力學(xué)的時代，我們似乎可以更大膽的去跳脫傳統(tǒng)概念，那么一個實驗室可以簡單到什么程度呢？
微流控芯片。來源：wiki
如上圖所示，宛如蒙德里安的當代藝術(shù)一般，幾何線條延展在晶瑩剔透的玻璃樽中，這就是由微流控技術(shù)實現(xiàn)的“芯片上的實驗室”。
麻雀雖小，五臟俱全。在幾平方厘米的芯片中包含不同功能的通道、泵、閥、混合室、化驗區(qū)等，通過集成電子微控制器的操控，實驗液體在這些區(qū)域中穿梭，在微觀尺度上精確的混合、反應(yīng)和分離，過去需要大型設(shè)備、特定環(huán)境、復(fù)雜操作的實驗和觀察，現(xiàn)在使用微流控芯片就可以極精確、高效率、低污染的完成，廣泛應(yīng)用于臨床檢驗醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)和分子生物等領(lǐng)域。
被動式微流控與主動式微流控
按照控制方式來說，微流控芯片可分為被動式和主動式兩種。
被動式微流控更多由自然力控制，或者可以說是只有微流沒有控，利用液體本身在微管道中發(fā)生的毛細現(xiàn)象，在液、固、氣三相界面上液面彎曲產(chǎn)生的作用力，使液體產(chǎn)生定向的流動，主要應(yīng)用于簡單的檢測項目。
利用被動式微流控技術(shù)的驗孕棒。來源：wiki
Savahhah Szemethy制作的微流控藝術(shù)，兩種顏色的液體在微流管道中由自然力牽引流動呈現(xiàn)愛因斯坦肖像。來源：https://savannahszemethy.wixsite.com/microfluidicart
主動式微流控是更被業(yè)內(nèi)認可的“真正的”微流控，既有微流又有控，即前文提到的，通過芯片內(nèi)部精密的反應(yīng)腔與閥門裝置，精準控制液體反應(yīng)。主動式微流控往往是為了滿足更加復(fù)雜的實驗過程要求的，比如分子檢測。
實驗室流出的藝術(shù)
阿爾伯特·福爾奇（Albert Folch）是華盛頓大學(xué)的生物工程系教授，從事微流控研究工作。他的團隊致力于利用數(shù)字制造技術(shù)（3D打印、激光切割）設(shè)計、制作微流控設(shè)備。該團隊開發(fā)了一款微流控設(shè)備，通過少量腫瘤活檢樣本，即可幫助醫(yī)生篩選最適合患者情況的藥物混合體，大大降低了藥物測試的成本。
“腫瘤芯片”，每個槽中都含有不同的藥物，這些藥物被泵送到放置腫瘤樣本的中心。來源：Albert Folch
流體在通道為100納米（nm）~ 500微米（μm）時，雷諾系數(shù)（慣性力與粘性力的比）會變得很小，液體發(fā)生層流，幾束并行的流體并不會混合。喜好藝術(shù)的福爾奇教授在實驗過程中注意到了這種在宏觀世界很少見的景象，靈感迸發(fā)，遂將這些景象用攝影的方式記錄下來，用精妙的藝術(shù)手段來展現(xiàn)這項精密的科學(xué)技術(shù)。
蒙德里安參觀實驗室的那天。作者：Chris Sip和Albert Folch
微流控火箭。來源：FolchLAB
彩色迷宮。來源：FolchLAB
層流梯度。來源：youtube
流動的不止液體，還有音樂。福爾奇教授利用微流體芯片為我們獻上了一場微流芭蕾秀，與其說是芭蕾不如說是微型的“音樂燈光噴泉秀”。
七股彩色染料的水平分布對應(yīng)著音樂相應(yīng)的高中低七個頻率，隨著音樂的進行，當某個頻率的音量高于閾值時，對應(yīng)的微型閥開啟，染料噴涌而出，與音樂完美契合。當不同顏色染料匯合時，由于層流現(xiàn)象，不會相互混合，仿佛緩慢流動的印象派畫作。
科學(xué)藝術(shù)大獎
福爾奇教授在經(jīng)營實驗室的同時，也擔任期刊《芯片實驗室》（Lab on a Chip）的顧問與藝術(shù)編輯。
Lab on a Chip 期刊封面
Lab on a Chip由英國皇家化學(xué)學(xué)會 (RSC)出版，發(fā)表多學(xué)科領(lǐng)域的微米級、納米級研究成果。期刊每年都會與美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)共同贊助Art in Science Award科學(xué)藝術(shù)攝影競賽，并在化學(xué)與生命科學(xué)微型化系統(tǒng)國際會議(μTAS)上頒獎。
Art in Science Award科學(xué)藝術(shù)攝影競賽提交的作品主要是關(guān)于微系統(tǒng)（微流控）。作品參賽選手需要是μTAS的參與會員，也是圖片所屬文獻的作者或合著者?？梢哉f，這就是專門為科學(xué)家舉辦的視覺藝術(shù)大賽。獲勝者的作品除了得到獎金與證書之外，還能登上期刊的封面。
下圖是2021年獲獎作品 Living Impression Sunrise。腫瘤轉(zhuǎn)移前血管周圍生態(tài)位的熒光圖像。在微流控芯片中，人臍靜脈內(nèi)皮細胞與腫瘤細胞相互作用形成三維的微血管網(wǎng)絡(luò)。這張圖片的標題靈感來自克勞德·莫奈的《日出印象》。
2021年獲獎作品 Living Impression Sunrise，作者：杜陽（音譯）復(fù)旦大學(xué)。來源：Lab on a chip
2017年獲獎作品《給泡沫一個機會》。“由于會對觀察造成干擾，氣泡被認為是微流體研究人員的噩夢，而在這里他們大膽亮相，向那些討厭它們的人展示其獨特的美麗。”這張圖片是在微流控室灌注 pluronic f-127的過程中獲得的攝影圖片。
P.S.不論是早期伽利略與達芬奇那些著名的科學(xué)手繪，還是近代以來伴隨各類研究論文的科學(xué)圖像，科研工作過程中帶出的視覺產(chǎn)物一直影響著后世科學(xué)家的思考與研究，作為研究文獻的封面圖像，好的作品往往可以“一眼入魂”，賞心悅目并直抒胸臆，具有科學(xué)與美學(xué)的雙重價值。
本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號科學(xué)藝術(shù)研究中心，略有修訂。
參考文獻：
【1】https://albertfolch.wixsite.com/folchlabhome/history-of-bait
【2】https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/lc/c8lc90028k
【3】https://savannahszemethy.wixsite.com/microfluidicart?pgid=juhal6k0-d9c8da0c-2335-4895-9d1b-8faa09c98a34
【4】https://www.youtube.com/watch?v=EYuyRUjnTgc
【5】http://www.blubblubb.net/oracle/index.html
【6】https://scheringstiftung.de/en/programm/dialog/foerderprojekte/max-planck-institute-starten-artist-in-residence-programm/ausstellung-klasmpi/
【7】https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/microfluidics-and-microfluidic-device-a-review/
【8】https://theconversation.com/microfluidics-the-tiny-beautiful-tech-hidden-all-around-you-160436
撰文｜GINTOKI , 石鍋拌大蒜
制版｜小圭月
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