混合作为化工生产中的重要操作单元，其效果直接影响传质效率，进而影响反应的速率、产率甚至是副反应的产生。高粘度流体的充分混合是许多化学反应的必要条件，但利用传统的搅拌混合方法进行高粘度流体混合仍然是一个巨大的挑战。除此之外，在细胞培养等剪切力敏感的混合场景下，高转速的机械式搅拌混合对细胞产生严重的破坏，低转速则无法进行良好的混合。近日，我校化工学院陶胜洋教授团队受人体消化系统可快速混合并转移高粘度食糜的启发，设计并制作了一种基于折纸结构的柔性仿生反应器（SBR），有效地解决了上述问题。

图1. 陶胜洋教授团队最新成果作为封面文章发表于Industrial & Engineering Chemistry Research期刊上。

研究团队为了模仿小肠结构与功能，采用折纸工艺制造反应器主体部分，运用几何分析、压缩测试实验、数值模拟等方法，探究并优化了反应器的折叠几何参数。研究人员利用有限元模拟、图像识别和无量纲分析等方法考察了反应器的性能，探讨了粘性液体在该反应器中混合过程的机理。该柔性反应器可以产生纵向和径向伸缩运动模拟小肠的蠕动，迫使粘性溶液流动产生大量的漩涡，促进了溶液均匀混合，并且在SBR中几乎没有混合死区，性能明显优于传统的桨叶式搅拌桨。另外，作者还引入无量纲分析法定量探究影响混合时间的物理因素。利用该方法将影响混合时间的复杂因果关系进行简化和量化，得到了混合时间、伸缩距离、伸缩频率之间的函数关系。根据关系式绘制三维云图预测该实验不同条件下的混合时间。

图2. （a-c）SBR的设计与制造；（d-f）SBR的部分性能测试；（g）利用有限元分析法探究SBR混合机理的部分模拟结果。

综上所述，SBR具有柔性、适用性高、成本低等特点，在生物工程和医学工程的高粘度混合中具有广阔的应用前景。基于折纸工艺制造的SBR为构建先进的化学应用功能系统提供了一个实例。该研究成果以“Origami-Based Bionic Reactor”为题发表在化工三大权威期刊之一Industrial & Engineering Chemistry Research上（Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 11, 4279-4289）。文章一经发表，就有企业表示出浓厚兴趣，希望就黏性流体的混合工作展开合作。世界权威化学学术机构美国化学会在其公众号对这一工作进行了热点评论。

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