液滴微流控技术在纳米材料合成、光子学、药物递送、再生医学、食品科学、化妆品和农业等多个领域都有重要的应用价值。尽管在微通道中液滴生成的基本机制和液滴生成装置的制造方面取得了显著进展，但在预测液滴性质和追踪单个液滴方面仍面临挑战。AI和3D打印技术的出现为模拟流体行为、精确追踪液滴以及探索创新装置设计提供了前所未有的机会。

近期，有研究人员发表综述，系统探讨了3D打印与人工智能（AI）技术在液滴微流控领域的协同应用，重点阐释了二者如何突破传统乳液生成与分析中的瓶颈，推动微流控系统向高通量、智能化及全数字化方向发展。该综述详细分析了多相流的基本物理机制、现有器件制造技术的局限，并展示了AI在模拟液滴行为、实时追踪及优化设计中的潜力，以及3D打印在构建复杂三维结构器件中的创新价值。相关研究成果以“3D printing and artificial intelligence tools for droplet microfluidics: Advances in the generation and analysis of emulsions”为题目，发表在期刊《Applied Physics Reviews》上。

本文要点：

1、本文综述了3D打印和人工智能（AI）技术在液滴微流控领域的最新进展，重点讨论了其在乳液生成和分析中的应用。

2、详细讨论了多相流的基本物理机制、液滴生成技术的现状，并回顾了相关装置的制造方法及其应用。

3、深入分析了AI和3D打印技术在微流控系统中的应用前景，包括AI辅助的液滴行为模拟、实时液滴追踪以及三维系统的增材制造，展望了这些技术在推动微流控技术向全数字化方向发展的潜力。

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微流控设备中四种典型液滴发生器类型

图 1. 微通道中液滴所受作用力的示意图。

图 2. 微流控设备中液滴发生器几何结构的示意图：(a) 共流、(b) 交错流、(c) 流动聚焦、(d) 阶梯乳化。

图 3. 左图：双 T 型结的流动图谱，以分散相的毛细管数 Ca₁和连续相的毛细管数 Ca₂为变量。右图：双 T 型结中不同流态下生成液滴的实验快照：(a) 穿流型（●）、(b) 射流型（"）、(c) 滴液型（■）、(d) 管状流型（◆）、(e) 粘性置换型（＋）。

图 4. (a) 和 (b) 用于制备双乳液 (a) 和三重乳液 (b) 的几何结构示意图。相应乳化阶段的光学显微图如 (c)-(g) 所示。(h) 双乳液的光学显微图，显示内液滴数量（从左到右）和直径（从上到下）逐渐增加。(i) 三重乳液的光学显微图，显示内液滴数量（从左到右）和中间液滴数量（从上到下）逐渐增加。(c)-(i) 的比例尺：200μm。(j) 流动聚焦微流控设备中 Janus 液滴形成的光学显微图。比例尺：100μm。(k) 具有亲水（灰色）和疏水（红色）组分的 Janus 微凝胶图像。比例尺：50μm。(l)-(m) Janus 粒子长度 (l) 和宽度 (m) 的分布。(n) Janus 粒子的扫描电子显微镜图像。比例尺：50μm。(o) (n) 中红色方框标记的单个 Janus 粒子的放大图。比例尺：10μm。

图 5. (a) 钠钙玻璃微流控设备的微制造步骤示意图。PR：AZ4620 光刻胶；BOE：缓冲氧化物蚀刻；DI water：去离子水。(b) 密封的钠钙玻璃微流控设备图像，通道内填充黑色染料并带有 1.2mm 钻孔 (i)，以及微通道横截面的扫描电子显微镜图像 (ii)。比例尺：40μm。(c) 高宽比＞0.5 的钠钙玻璃微通道的扫描电子显微镜横截面图像。比例尺：40μm。(d) 计算机数控铣床制造微流控芯片的步骤示意图。(e) 热塑性芯片的照片。(f) PMMA 中实现的微通道 T 型结的扫描电子显微镜图像。比例尺：100μm。

图 6. (a) 塑料基板激光微结构化示意图。(b) 和 (c) 通过键合 PMMA 薄片制成的多层液滴生成微流控设备的示意图 (b) 和照片 (c)，这些薄片通过 CO₂激光微制造而成。(c) 中的比例尺：5mm。(d) 激光烧蚀通道的扫描电子显微镜横截面图像，分别在聚甘油癸二酸酯（PGS，顶部图像）、聚（1,3 - 二氨基 - 2 - 羟基丙烷 - co - 多元醇癸二酸酯）（APS，中上部图像）和 PDMS（中下部图像）中制成。从左到右，通道由逐渐减少的激光脉冲数制成。比例尺：500μm。底部图像为 PGS 中单个微通道的放大扫描电子显微镜图像。比例尺：100μm。(e) 用于高通量液滴生成的 3D 整体弹性体设备的制造过程说明。左下图像显示与基板键合后制成的设备照片。(f) 3D 设备运行时的光学图像，显示在并行流动聚焦结中同时生成油包水乳液。比例尺：1mm。

图 7. (a) 毛细管阵列微流控设备的示意图（顶部）和照片（底部）。左下图像中的比例尺：1mm。(b) 用于液滴生成的毛细管组件示意图（顶部）和使用商用组件制成的设备照片（底部）。比例尺：1cm。(c) 由乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）制成的液滴生成设备照片。共流设备使用“现成”组件制成。(d) 和 (e) 使用微结构化乐高积木制成的模块化微流控系统示意图。(f) 单个乐高积木的照片，其上有通过微铣削制成的通道，以及用于与相邻积木互连的 O 形圈。背胶聚乙烯膜用作密封膜。(g) 专门设计用于流体操作和分析的不同积木照片：流体入口、液滴生成、透射光检测和混合。

图 8. (a) 在液滴微流控设备中合成 PbS 量子点（QDs）并通过吸收和荧光光谱进行实时原位监测的系统示意图。(b) 用于原位测量吸收和光致发光（PL）光谱的实验装置。(c) 和 (d) 不同反应时间下 PbS 量子点吸收光谱 (c) 和纳米颗粒直径 (d) 的时间演化。(e) 和 (f) 不同反应时间下 PbS 量子点荧光光谱 (e) 和相应峰值波长 (f) 的时间演化。(c)-(f) 中的数据在 120℃下获得。

图 9. 基于胶体颗粒的热响应材料，通过 W/O/W 双乳液的耗尽诱导相分离生成。(a) 组成 W/O/W 液滴水核的热响应颗粒示意图（左图）。该颗粒由 PS 核和 p (NIPAm-co-AAc) 壳组成。右图说明通过高渗处理实现液滴水核的浓缩和相分离机制。(b) 不同温度下颗粒的光学显微图，显示颜色变化。比例尺：200μm。(c) 不同温度下的反射光谱。(d) 加热（红色方块）和冷却（蓝色三角形）时反射光谱峰值波长与温度的关系。(e) 样品温度在 25–35℃循环变化时反射光谱峰值波长的变化。(f) 热敏感颗粒悬浮在水介质中并包含在具有温度梯度的对流池中的照片。加热台位于图的左下角，冷却管位于右上角。比例尺：5mm。(g) 对流池中颗粒的色调和速度值的二维图。色调值在标记为矩形的区域中计算。速度图由白色箭头表示，箭头头部指示速度方向，长度表示速度大小。速度图在 2s 的时间间隔内计算。比例尺：5mm。(h) 色调值与温度的对应关系。

图 10. (a) 用于制备超声控制的单分散脂质囊泡（U-CMLVs）并与水凝胶溶液混合的微流控芯片示意图。(b) U-CMLVs - 水凝胶混合物在皮肤上的应用说明。(c) 高频和低频超声照射结合实现药物释放过程的示意图。(d) 和 (e) 与水凝胶混合的 U-CMLVs 的扫描电子显微镜图像。比例尺：10μm (d) 和 1μm (e)。(f) U-CMLVs - 水凝胶混合物在猪皮上经过扭转、弯曲和拧紧后的照片。顶部（底部）照片所示样品通过添加罗丹明 B（钙黄绿素）获得。比例尺：5cm。

图 11. (a) 用于回归分析的人工神经网络草图，带有式 (15) 和式 (16) 中引入的符号。(b) DropTrack 输出的示例，由人工神经网络对微流控实验快照进行液滴识别得到。

图 12. 基于以下技术的 3D 打印技术示意图：(a) 具有上下曝光配置的 SLA (i) 和 (ii)、(b) DLP、(c) LCDP、(d) CLIP、(e) TP-SLA、(f) FDM、(g) DIW、(h) 材料喷射。

图 13. (a) 用于生成具有三个内液滴的双乳液的微流控设备草图。(b) 具有多个内液滴的双乳液生成机制示意图。(c) 3D 打印设备的照片。(d) 获得的 W/O/W 乳液的光学显微图，具有三个不同的内液滴。(e) 烟囱形液滴生成设备的草图，带有两个用于连续相（Qc）和分散相（Qd）的入口和一个出口。(f) 打印设备的照片。(g) 水（上图）和十六烷（下图）在 3D 打印层上的接触角。(h) 通过改变流量比和顶角生成的 W/O 液滴的光学显微图。比例尺：300μm。设备的示意图显示在左侧。

图 14. (a) 用于生成尺寸可控液滴的螺丝 - 螺母装置示意图。(b) 不同 h_g 下获得的液滴的光学显微图。(c) 连接到外部泵系统和紫外光源的设备照片，用于生成 PEGDA 微粒。(d) 和 (e) 3D 打印设备的照片。

图 15. (a)-(c) 三个堆叠通道中流动的数值模拟，这些通道通过常规通道 (a) 和计算优化的流动分配器 (b,c) 连接。(d) 和 (e) 3D 打印堆叠通道 (d) 和具有三个堆叠液滴发生器的设备的照片。比例尺：500μm。(f) CAD 模型和 (g) 通过 μCT 获得的具有三个堆叠液滴发生器的设备的 3D 分析。(h) 在具有常规分配器（“控制设计”）和计算优化的流动分配器的三个堆叠液滴发生器中测量的流量。(i) 荧光素掺杂的水在油中的液滴显微图。比例尺：100μm。(j) 具有 15 个液滴发生器的设备的 CAD 模型和 (k) μCT 分析。(l) 3D 打印设备的照片。比例尺：200μm。(m) 在 15 个并行化液滴发生器中测量的流量。

图 16. (a) PLA 3D 打印基板上的水接触角（左图），用于生成 W/O 乳液的 3D 打印 T 型结的示意图和照片。(b) PVA 3D 打印基板上的水接触角，用于生成 O/W 乳液的 T 型结示意图和相应 3D 打印设备生成的 O/W 液滴照片（右图）。(c) 用于打印多种材料的双头挤出机示意图。(d) 由 PVA 和 PLA 制成的 3D 打印设备中 W/O/W 生成的示意图（上图）。下图显示 3D 打印设备的照片。(e) 外层为海藻酸盐的三重乳液照片，当海藻酸盐滴入含有 CaCl₂的浴中时凝胶化，如左上图所示。比例尺：1mm。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0228610

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