前沿力学研究探讨——微流体神经冷却系统的力学和热学分析
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本期给大家分享一篇有趣的论文：
微流体神经冷却系统的力学和热学分析
摘要：
微电子和生物医学技术的最新进展使可编程冷却机制能够集成到生物电子设备中，用于疼痛管理和人类健康的其他重要应用。然而，由于装置放置/操作期间组织力学的影响、冷却剂流中的粘性效应以及局部影响组织温度和机械响应的关键物理参数，实现局部和精确的目标冷却仍然是一个挑战。最近的研究表明，生物电子设备可以配备微流体结构，以支持相变冷却机制，通过控制流体流速来调节冷却功率。当在基于组织界面温度测量的闭环反馈方案中操作时，这些平台可以实现对参与疼痛信号传导的周围神经区域的精确温度控制。我们建立一个理论模型来了解这些装置对底层柔软和可变形组织的影响，以及可以改变粘性流动中传热冷却过程的微流体变形，对于优化设计和操作至关重要。为了解决这个问题，开发了一个理论模型来描述组织中远程应变的影响，并量化可变形微流体通道中流体相变冷却的组织的空间温度分布。推导了一个标度定律，用于量化组织在生理相关机械载荷、流体粘度、流速和热导率下的稳态温度分布，从而能够根据变形组织和微通道中的预期温度变化和饱和蒸汽压预测液体和气体通量。这些发现表明，在合理的生理范围内，流体粘度对温度变化的影响可以忽略不计，在相对较高的流速下，流体与组织热导率的比值对温度变化影响最小。此外，该模型建议对给定流体的组织冷却进行限制，这不一定随着流体体积的增加而增加。
先解释几个概念：
什么是生物电子设备？
生物电子设备（bioelectronic devices）是结合生物学和电子技术的设备，能够检测、调控或影响生物系统的电信号或其他生物特性，通常用于医学、健康监测、疾病治疗和神经科学等领域，通过与人体或其他生物体的互动，执行特定的功能。
生物电子设备的应用？
心脏起搏器、人工耳蜗、神经刺 激器等植入式医疗设备，植入式生物电子设备可以直接作用于人体内部，持续监测和调节生理功能，主要用于慢性疾病管理和器官支持；
智能手表与健身追踪器、血糖监测仪、ECG监测设备和可穿戴血压监测器等可穿戴健康监测设备。该类设备能够实时采集身体的生物信号，并反馈健康数据，帮助用户管理健康和预防疾病；
胰岛素泵、智能药物贴片和植入式药物递送设备等智能药物递送系统，其目的是实现药物的精准释放。
机器人外骨骼、智能轮椅和生物电子义肢等，可以帮助残障人士恢复部分身体功能；
脑-机接口等，帮助神经疾病患者思考或者拓展人类能力；
组织工程和再生医学。电子皮肤、3D打印组织和器官等等；
可编程性？
生物电子设备的可编程性指的是设备能够通过软件或硬件接口进行配置和控制，以实现特定的功能或反应。简单来说，就是用户或开发者可以根据需要编写程序或设置规则，使设备能够执行不同的任务或调整其行为。通过这样，生物电子设备才能更加灵活和智能，能够适应多种应用场景。
例如：
植入式心脏起搏器可以通过编程来调整刺 激频率和电压，以适应患者的心脏状况；
当检测到肌肉信号时，控制义肢做出相应的动作；
通过集成人工智能，神经刺 激设备可以通过编程自我优化，提升治疗效果；
设备可以根据患者的具体需求进行编程，提供个性化的治疗方案等等
微流体？
微流体（Microfluidics）是研究和操控微小体积流体（通常在纳升或微升量级）在微米尺度通道内的流动行为的科学与技术。
关键特征：
小尺度、层流流动、低雷诺数和精确操控
优势：
节约资源、快速反应、高精度与自动化、可便携性
微流体系统组成？
微通道：刻蚀或制造在芯片或设备中的微米尺度的通道，用于控制流体的流动。
泵与阀：用于控制流体在微通道内的流动方向、速度和压力。
检测单元：可以集成光学、电子或化学传感器，用于分析流体中的成分或反应。
驱动机制：通过压力驱动、电动驱动（如电渗流）、毛细现象等方式控制流体的流动。
本文的重要结论如下：
提出了一种理论模型来描述和量化使用微流体神经冷却器系统的局部组织冷却，该系统依赖于流体相变来触发特定组织位置的传热机制。
力学和热分析解释了微流体通道中组织变形和粘性流动对组织中温度分布的影响。考虑到微流体通道的变形，建立了一个标度律来表征组织内稳态温度变化的空间分布，该标度律与无量纲参数的生理相关组合有关。
对于用于实现组织冷却的高范围无量纲流速，流体和组织之间的热导率比对无量纲温度变化的影响最小。相反，影响热冷却过程的关键参数是液体和气体的量，以及由生物应用确定的预期温度变化。
所提出的标度定律表明，对于给定的液体，目标温度变化存在一个极限，即更高的流速不会产生进一步的局部温度降低。这种方法很容易应用于神经冷却。
感想
1. 核心的理论模型要基于实验的观察，能够精确捕捉实验的现象，但是需要基于物理和力学的定律。
本文的核心创新点就是把传热的控制方程和边界条件的特征通过基本的物质守恒、能量守恒等物理定律描述出来，然后借助商业有限元软件做了定量的计算。
2. 最好的工作：新的理论解决新的问题。
当前生物电子设备如火如荼，需求量很大，未来应用前景很好，会有很多未知的技术和科学问题需要解决，这里面既可以产出新的理论，也可以整合原有的技术做出新的产品。
3. 跨学科的能力：与人交流和合作
多学科交叉融合，当然需要复合式的人才，不仅懂力学，还懂生物、物理、工程学等。但是这一类的研究通常都会涉及到不同研究背景、行业背景的人，学会沟通和交流，学会跨专业合作是最重要的。
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计算机技术在科学&技术&工程&数学中得到了广泛的应用，力学方面，计算机技术成为了科学的第四次革命性技术，现在基于计算机的数据科学已经逐步成为力学等其他科学发现的第四范式。人工智能、大数据、数字孪生等概念已经逐步成为当今时代的主题。智能制造、智能算法、数据驱动力学、大语言模型、自动驾驶在当今社会展现出巨大潜力，吸引了大量的研究人员。同时高性能显卡和多核中央处理器的出现为大规模数值模型的高性能计算提供了强大算力。然而因为该领域的论文较多，涉及内容较广，需要的知识量较大，不仅需要力学，数学，物理的知识，还需要计算机、数据科学、大数据分析的知识。入门门槛较高，因此我建立了此微 信公 众号（STEM与计算机方法），希望通过自己的学习加上文献翻译和整理，帮助新手快速掌握前沿研究的热点和聚焦，轻松入门计算的相关研究（实验、理论、数值计算方法），从而吸引和聚焦更多对该技术和研究领域感兴趣的华人朋友，为推动智能计算与基础科学的科学研究的发展和交流做一点儿贡献！
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