Флюидика - Fluidics

Модуль с двумя входными потоками вверху, выходным сегментом AND в середине и выходным потоком XOR внизу.

Флюидика или жидкостная логика - это использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций, аналогичных тем, которые выполняются с электроникой .

Физическая основа гидравлики - это пневматика и гидравлика , основанные на теоретических основах гидродинамики . Термин « гидросистема» обычно используется, когда устройства не имеют движущихся частей , поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидроцилиндры и золотниковые клапаны, не рассматриваются и не называются гидравлическими устройствами.

Струя жидкости может быть отклонена более слабой струей, ударяющей по ней сбоку. Это обеспечивает нелинейное усиление , подобное транзистору, используемому в электронной цифровой логике. Он используется в основном в средах, где электронная цифровая логика была бы ненадежной, например, в системах, подверженных высоким уровням электромагнитных помех или ионизирующего излучения .

Нанотехнологии рассматривают флюидику как один из своих инструментов. В этой области такие эффекты, как силы на границе раздела жидкость-твердое тело и жидкость-жидкость, часто очень значительны. Гидравлические системы также использовались в военных целях.

История

В 1920 году Никола Тесла запатентовал клапанный канал или клапан Тесла, который работает как жидкостный диод. Это негерметичный диод, т.е. обратный поток отличен от нуля при любой приложенной разнице давлений. Клапан Тесла также имеет нелинейный отклик, так как его периодичность зависит от частоты. Его можно использовать в гидравлических контурах, таких как двухполупериодный выпрямитель, для преобразования переменного тока в постоянный. В 1957 году Билли М. Хортон из лаборатории Гарри Даймонд (которая позже стала частью исследовательской лаборатории армии ) впервые придумал идею жидкостного усилителя, когда он понял, что может перенаправить направление дымовых газов с помощью небольшого сильфона. . Он предложил теорию взаимодействия потоков, заявив, что можно добиться усиления, отклоняя поток жидкости другим потоком жидкости. В 1959 году Хортон и его сотрудники, доктор Р. Э. Боулз и Рэй Уоррен, сконструировали семейство рабочих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева. Их опубликованные результаты привлекли внимание нескольких крупных отраслей промышленности и вызвали всплеск интереса к применению флюидики (тогда называемого флюидным усилением) в сложных системах управления, который продолжался на протяжении 1960-х годов. Хортону приписывают разработку первого устройства управления усилителем жидкости и открытие области гидравлики. В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 получателей, получивших первую награду за достижения в области научных исследований и разработок армии США за разработку устройства управления усилителем жидкости.

Логические элементы

Могут быть построены логические ворота, использующие воду вместо электричества для питания функции ворот. Они зависят от положения в одной ориентации для правильной работы. Логический элемент ИЛИ - это просто две соединяемые трубы, а вентиль НЕ (инвертор) состоит из буквы «А», отклоняющей поток подачи для получения. На схеме схематично изображены вентили И и XOR. Инвертор также может быть реализован с логическим элементом XOR, так как A XOR 1 =.

Другой вид флюидной логики - это пузырьковая логика . Пузырьковые логические вентили сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, потому что пузыри не образуются и не уничтожаются в логической операции, аналогично вентильным воротам компьютера с бильярдным шаром .

Составные части

Видео, моделирующее внутренний поток осциллятора с жидкостной обратной связью.

Усилители

Гидравлический усилитель, показывающий поток в обоих состояниях, из патента США 4,000,757 .

В гидравлическом усилителе источник жидкости, которым может быть воздух, вода или гидравлическая жидкость , входит снизу. Давление, приложенное к портам управления C 1 или C 2, отклоняет поток, так что он выходит через порт O 1 или O 2 . Поток, поступающий в порты управления, может быть намного слабее, чем отклоняемый поток, поэтому устройство имеет усиление .

Это базовое устройство может быть использовано для создания других жидкостных логических элементов, а также жидкостных осцилляторов, которые могут использоваться аналогичным образом как триггеры . Таким образом, можно построить простые системы цифровой логики.

Гидравлические усилители обычно имеют полосу пропускания в диапазоне низких килогерц , поэтому системы, построенные на их основе, довольно медленны по сравнению с электронными устройствами.

Триоды

Гидравлический триод - это усилительное устройство, в котором для передачи сигнала используется жидкость . Гидравлический триод был изобретен в 1962 году Мюрреем О. Меце-младшим, учеником средней школы в Хит-Спрингс, штат Южная Каролина, который также построил жидкостный диод, жидкостный осциллятор и множество гидравлических "цепей", в том числе тот, который не имеет электронного аналог. Флюидные триоды использовались в качестве заключительной ступени в основной системе оповещения на Всемирной выставке 1964 года в Нью-Йорке .

Несмотря на то, что они много изучаются в лаборатории, они имеют мало практических применений. Многие ожидают, что они станут ключевыми элементами нанотехнологий .

Использует

MONIAC Компьютер построен в 1949 году был жидкость на основе аналога используется для обучения экономических принципов , как это может воссоздать сложные моделирования компьютера, цифровые компьютеры не могли в то время. Двенадцать-четырнадцать были построены и приобретены предприятиями и учебными заведениями.

Компьютер FLODAC был построен в 1964 году как доказательство концепции жидкостного цифрового компьютера.

Компоненты жидкости присутствуют в некоторых гидравлических и пневматических системах, включая некоторые автомобильные автоматические трансмиссии . По мере того, как цифровая логика стала более распространенной в промышленном управлении, роль флюидики в промышленном управлении снизилась.

На потребительском рынке продукты с жидкостным управлением становятся все популярнее и популярнее, они устанавливаются в самые разные изделия: от игрушечных распылителей до душевых лейок и форсунок для гидромассажных ванн; все обеспечивают колеблющиеся или пульсирующие потоки воздуха или воды.

Жидкую логику можно использовать для создания клапана без движущихся частей, как в некоторых анестезиологических аппаратах .

Гидравлические осцилляторы использовались в конструкции срабатывающих по давлению, предназначенных для 3D-печати , аварийных вентиляторов для пандемии COVID-19 .

Гидравлические усилители используются для генерации ультразвука для неразрушающего контроля путем быстрого переключения сжатого воздуха с одного выхода на другой.

Жидкостная инъекции исследуется для использования в авиации в направлении управления, двумя способами: контроль циркуляции и ОВТ . В обоих случаях более крупные и сложные механические части заменяются жидкостными системами, в которых большие силы в жидкостях отклоняются меньшими струями или потоками жидкости с перерывами, чтобы изменить направление движения транспортных средств. При управлении циркуляцией около задних кромок крыльев системы управления полетом самолета, такие как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , заменяются прорезями, которые испускают потоки жидкости. При управлении вектором тяги в соплах реактивных двигателей поворотные части заменяются пазами, которые впрыскивают потоки жидкости в сопла. Такие системы отклоняют тягу за счет воздействия жидкости. Испытания показывают, что воздух, нагнетаемый в выхлопную струю реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. При таком использовании жидкостная система желательна с меньшими: массой, стоимостью (до 50% меньше), сопротивлением (до 15% меньше во время использования), инерцией (для более быстрой и сильной реакции управления), сложностью (механически проще, меньше или совсем нет). движущиеся части или поверхности, меньше обслуживания) и поперечное сечение радара для скрытности . Вероятно, это будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), истребителях 6-го поколения и кораблях .

Компания BAE Systems провела испытания двух беспилотных летательных аппаратов с жидкостным управлением, один из которых в 2010 году был назван Demon , а другой - в 2017 году - MAGMA , совместно с Манчестерским университетом .

Octobot , доказательство концепции мягкотелых автономного робота , содержащего микрофлюидальную логическую схему , была разработана учеными Гарвардского университета «s Висс институт Биологически Вдохновленный Engineering .

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки