Флюидика - Fluidics

Модуль с двумя входными потоками вверху, И выходное ведро посередине и XOR выходной поток внизу.

Флюидика, или текучая логика, это использование жидкость выполнять аналог или цифровой операции, аналогичные тем, которые выполняются с электроника.

Физическая основа флюидики пневматика и гидравлика, опираясь на теоретические основы динамика жидкостей. Период, термин флюидика обычно используется, когда устройства не имеют движущиеся части, поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидроцилиндры и золотниковые клапаны не рассматриваются и не упоминаются как гидравлические устройства.

Струя жидкости может быть отклонена более слабой струей, ударяющей по ней сбоку. Это обеспечивает нелинейный усиление, аналогично транзистор используется в электронной цифровой логике. Он используется в основном в средах, где электронная цифровая логика была бы ненадежной, например, в системах, подверженных высоким уровням электромагнитная интерференция или ионизирующее излучение.

Нанотехнологии рассматривает 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 1957 году Билли М. Хортон из Гарри Даймонд Лаборатории (который позже стал частью Армейская исследовательская лаборатория ) впервые придумал идею жидкостного усилителя, когда он понял, что он может перенаправить направление дымовых газов с помощью небольшого мехи.[1] Он предложил теорию взаимодействия потоков, утверждая, что можно добиться усиления, отклоняя поток жидкости с помощью другого потока жидкости. В 1959 году Хортон и его соратники, доктор Р. Э. Боулз и Рэй Уоррен построили семейство рабочих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева.[2] 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.[3][4] Хортону приписывают разработку первого устройства управления усилителем жидкости и открытие области гидравлики.[5] В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 лауреатов, получивших первую награду за достижения в области научных исследований и разработок армии США за разработку устройства управления усилителем жидкости.[6]

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 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Инвертор также может быть реализован с логическим элементом XOR, так как A XOR 1 =.[7]

Другой вид флюидной логики - логика пузыря. Пузырьковые логические элементы сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, поскольку пузырьки не создаются и не уничтожаются в логической операции, аналогично бильярдный компьютер ворота.[8]

Компоненты

Видео, моделирующее внутренний поток осциллятора с жидкостной обратной связью.

Усилители

Гидравлический усилитель, показывающий поток в обоих состояниях, от Патент США 4,000,757 .

В жидкостном усилителе источник жидкости, которым может быть воздух, вода или гидравлическая жидкость, входит внизу. Давление, приложенное к портам управления C1 или C2 отклоняет поток, так что он выходит через любой порт O1 или O2. Поток, поступающий в порты управления, может быть намного слабее, чем отклоняемый поток, поэтому устройство имеет усиление.

Это базовое устройство также может быть использовано для создания других элементов флюидной логики. жидкостные осцилляторы который можно использовать аналогично шлепки.[9] Таким образом, можно построить простые системы цифровой логики.

Гидравлические усилители обычно имеют полосу пропускания в диапазоне низких частот. килогерц диапазон, поэтому системы, построенные из них, довольно медленны по сравнению с электронными устройствами.

Триоды

Жидкий триод является усиление устройство, которое использует жидкость передать сигнал. Гидравлический триод был изобретен в 1962 году Мюрреем О. Меце-младшим, старшеклассником из Хит-Спрингс, Южная Каролина, который также построил жидкостный диод, жидкостный осциллятор и различные гидравлические «схемы», в том числе тот, который не имеет электронных аналог.[10] Флюидные триоды использовались в качестве завершающей стадии в основной Система громкой связи на 1964 Нью-Йоркская всемирная выставка.[нужна цитата ]

Хотя они много изучаются в лаборатории, они имеют мало практического применения. Многие ожидают, что они станут ключевыми элементами нанотехнологии.

Использует

В MONIAC ​​Компьютер Построенный в 1949 году аналоговый компьютер на основе жидкости использовался для обучения экономическим принципам, поскольку он мог воссоздавать сложные модели, недоступные цифровым компьютерам. Двенадцать-четырнадцать были построены и приобретены предприятиями и учебными заведениями.

Компьютер FLODAC был построен в 1964 году как доказательство концепции жидкостного цифрового компьютера.[11]

Гидравлические компоненты присутствуют в некоторых гидравлических и пневматических системах, включая некоторые автомобильные. автоматические трансмиссии. Так как цифровая логика стал более приемлемым в промышленном контроле, роль флюидики в промышленном контроле снизилась.

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

Гибкую логику можно использовать для создания клапан без движущихся частей, как в некоторых анестезиологические аппараты.[12]

Гидравлические осцилляторы были использованы в конструкции срабатывающих по давлению, 3D печать, аварийные вентиляторы для COVID-19 пандемия.[13] [14] [15]

Жидкие закачки исследуются для использования в самолет для управления направлением двумя способами: контроль циркуляции и вектор тяги. В обоих случаях более крупные и сложные механические части заменяются жидкостными системами, в которых большие силы в жидкостях отклоняются более мелкими струями или потоками жидкости с перерывами, чтобы изменить направление транспортных средств. При управлении циркуляцией возле задних кромок крыльев системы управления полетом самолета такие как элероны, лифты, элевоны, закрылки и флапероны заменяются прорезями, через которые проходят потоки жидкости.[16][17][18] В вектор тяги, в реактивный двигатель форсунки, поворотные части заменены прорезями, через которые потоки жидкости попадают в форсунки.[19] Такие системы отклоняют тягу за счет воздействия жидкости. Испытания показывают, что воздух, нагнетаемый в выхлопную струю реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов.[19] При таком использовании жидкостная система желательна за меньшие: массу, стоимость (на 50% меньше), сопротивление (на 15% меньше во время использования), инерция (для более быстрой и сильной реакции управления), сложность (механически проще, меньше или совсем нет движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и радиолокационный разрез для скрытность. Вероятно, это будет использоваться во многих беспилотные летательные аппараты (БПЛА), 6 поколение самолет истребитель, и корабли.

BAE Systems провела испытания двух беспилотных летательных аппаратов с жидкостным управлением, один из которых был назван в 2010 г. Демон,[20][21] и еще один, начиная с 2017 года, названный МАГМА, с Манчестерский университет.[22]

Octobot, а доказательство концепции мягкий автономный робот содержащий микрофлюидный логическая схема, был разработан исследователями Гарвардский университет с Институт Висс по биологической инженерии.[23]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ МакКетта, Джон (1985-11-21). Энциклопедия химической обработки и дизайна: Том 23 - Поток жидкости. CRC Press. п. 28. ISBN  9780824724733.
  2. ^ Брэдбери, Уилбур (1967-05-19). Люс, Генри (ред.). «Просроченная идея положи в блокнот». Жизнь. Время. С. 115–116.
  3. ^ Джойс, Джеймс У. (август 1983 г.). «Флюидика: основные компоненты и приложения». Центр оборонной технической информации. Мэриленд. Получено 2018-07-10.
  4. ^ Gottron, R .; Кумар, В .; Коррадо, А. (август 1975 г.). «Гидравлические приложения в Северной Америке». Объемы разбирательств МФБ. 8 (1): 531–538. Дои:10.1016 / S1474-6670 (17) 67511-6.
  5. ^ "Люди". IEEE Spectrum. Апрель 1975 г. Дои:10.1109 / MSPEC.1975.6368799.
  6. ^ «CRD объявляет лауреатов 22 наград за достижения в области НИОКР» (PDF). Армейский журнал исследований и разработок. 2 (8). Август 1961 г.. Получено 2018-07-10.
  7. ^ Бликштейн, Пауло. «Программируемая вода: вычисления - это не только электроника». Blikstein Consultoria. Стэндфордский Университет. Получено 2019-06-23.
  8. ^ Пракаш, Ману (2007-02-08). "Ману Пракаш: Исследование: логика пузырей". Массачусетский технологический институт (MIT). Архивировано из оригинал на 2012-01-26. Получено 2019-06-23.
  9. ^ Тесар, Вацлав (2019-08-09). «Цепи выдержки времени для гидравлических генераторов и формирователей импульсов». Энергии. 12 (16): 3071. Дои:10.3390 / en12163071. ISSN  1996-1073.
  10. ^ Стонг, К. Л. (август 1962 г.). «Ученый-любитель. Как потоки воды могут быть использованы для создания аналогов электронных ламп и схем». Scientific American. стр. 128–138. Получено 2020-04-28.
  11. ^ «Труды - Осенняя совместная компьютерная конференция» (PDF). 1964. С. 631–641.
  12. ^ Мейер, Джеймс А .; Джойс, Джеймс У. (1968). «Усилитель жидкости и его применение в медицинских устройствах». Анестезия и обезболивание. 47 (6): 710–716. Дои:10.1213/00000539-196811000-00015.
  13. ^ «3D-принтер с открытым исходным кодом для медицинских целей». Получено 2020-04-28.
  14. ^ «Всемирный вентилятор». Получено 2020-04-28.
  15. ^ «Добровольцы разрабатывают аппарат ИВЛ для 3D-печати на основе дизайна армии 1965 года». Получено 2020-04-28.
  16. ^ Джон П. (2010). «Программа комплексных промышленных исследований безлопастных летательных аппаратов (FLAVIIR) в авиационной технике». Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники. Лондон: Публикации по машиностроению. 224 (4): 355–363. Дои:10.1243 / 09544100JAERO580. HDL:1826/5579. ISSN  0954-4100. Архивировано из оригинал на 2018-05-17.
  17. ^ "Витрина беспилотного летательного аппарата демонстрирует безлопастный полет". BAE Systems. 2010. Архивировано с оригинал на 2011-07-07. Получено 2010-12-22.
  18. ^ «Демонические беспилотные летательные аппараты вошли в историю, летая без закрылков». Metro.co.uk. Лондон: Associated Newspapers Limited. 2010-09-28.
  19. ^ а б Yagle, P.J .; Миллер, Д. Н .; Ginn, K. B .; Хамстра, Дж. У. (2001). «Демонстрация перекоса жидкостного горла для управления вектором тяги в конструктивно фиксированных соплах». Журнал инженерии газовых турбин и энергетики. 123 (3): 502–508. Дои:10.1115/1.1361109.
  20. ^ Кристофер, Домбровски (2010-10-05). «Новый испытательный самолет летит без рулей». Ars Technica. Wired Media Group. Получено 2019-06-21.
  21. ^ Топор, Дэвид (2019-02-13). «Бомбардировщики F-22 и B-2 - старые: грядет новое поколение сверхмозглости». Национальный интерес. Центр национальных интересов. Получено 2019-06-21.
  22. ^ «Успешное завершение первых летных испытаний беспилотного летательного аппарата МАГМА». BAE Systems. 2017-12-13. Получено 2019-06-21.
  23. ^ Берроуз, Лия (2016). «Первый автономный полностью мягкий робот». Получено 2019-06-12.

дальнейшее чтение

внешние ссылки