stringtranslate.com

Флюидика

Модуль с двумя входными потоками вверху, выходным блоком AND посередине и выходным потоком XOR внизу.

Флюидика , или флюидная логика , — это использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций, аналогичных тем, которые выполняются с помощью электроники .

Физической основой струйной техники является пневматика и гидравлика , основанные на теоретической основе динамики жидкости . Термин струйная техника обычно используется, когда устройства не имеют движущихся частей , поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидравлические цилиндры и золотниковые клапаны, не рассматриваются и не называются струйными устройствами.

Струя жидкости может быть отклонена более слабой струей, ударяющей ее сбоку. Это обеспечивает нелинейное усиление , похожее на транзистор, используемый 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 струйную технику как один из своих инструментов. В этой области такие эффекты, как силы на границе раздела жидкость-твердое тело и жидкость-жидкость, часто имеют большое значение. Стрессовые жидкости также использовались в военных целях.

История

В 1920 году Никола Тесла запатентовал клапанный канал или клапан Теслы , который работает как жидкостный диод. Это был утечка диода, то есть обратный поток не равен нулю для любой приложенной разницы давления. Клапан Теслы также имел нелинейный отклик, так как его диодность имела частотную зависимость. Его можно было использовать в жидкостных цепях, таких как двухполупериодный выпрямитель, для преобразования переменного тока в постоянный. [1] В 1957 году Билли М. Хортон из Harry Diamond Laboratories (которая позже стала частью Армейской исследовательской лаборатории ) впервые придумал идею жидкостного усилителя, когда понял, что может перенаправить направление дымовых газов с помощью небольшого меха . [2] Он предложил теорию взаимодействия потоков, заявив, что можно добиться усиления, отклоняя поток жидкости другим потоком жидкости. В 1959 году Хортон и его коллеги, доктор RE Bowles и Рэй Уоррен, сконструировали семейство рабочих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева. [3] Их опубликованный результат привлек внимание нескольких крупных отраслей промышленности и вызвал всплеск интереса к применению струйной техники (тогда называемой усилением жидкости) в сложных системах управления, который продолжался на протяжении 1960-х годов. [4] [5] Хортону приписывают разработку первого устройства управления усилителем жидкости и начало развития области струйной техники. [6] В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 получателей первой премии Армии за достижения в области исследований и разработок за разработку устройства управления усилителем жидкости. [7]

Логические элементы

Можно построить логические вентили , которые используют воду вместо электричества для питания функции стробирования. Они зависят от расположения в одной ориентации для правильной работы. Вентиль ИЛИ — это просто две трубы, которые объединяются, а вентиль НЕ (инвертор) состоит из «A», отклоняющего поток питания для получения Ā. Вентили И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ изображены на схеме. Инвертор также может быть реализован с вентилем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, как A ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 1 = Ā. [8]

Другой вид жидкостной логики — пузырьковая логика . Пузырьковые логические вентили сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, поскольку пузырьки не производятся и не уничтожаются в ходе логической операции, аналогично бильярдным шарам в компьютерных вентилях. [9]

Компоненты

Видео, моделирующее внутренний поток жидкостного генератора с обратной связью.

Усилители

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

В жидкостном усилителе подача жидкости, которая может быть воздухом, водой или гидравлической жидкостью , поступает 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, входящий в порты управления, может быть намного слабее отклоняемого потока, поэтому устройство имеет усиление .

Это базовое устройство может быть использовано для построения других жидкостных логических элементов, а также жидкостных осцилляторов , которые могут использоваться аналогичным образом в качестве триггеров . [10] Таким образом, можно построить простые системы цифровой логики.

Жидкостные усилители обычно имеют полосу пропускания в нижнем килогерцовом диапазоне, поэтому системы, построенные на их основе, довольно медленные по сравнению с электронными устройствами.

Триоды

Был изобретен жидкостный триод — усилительное устройство, использующее жидкость для передачи сигнала , а также жидкостные диоды, жидкостный генератор и множество гидравлических «схем», включая ту, которая не имеет электронного аналога. [11]

Использует

Компьютер MONIAC, построенный в 1949 году, был аналоговым компьютером на основе жидкости, который использовался для обучения экономическим принципам, поскольку он мог воссоздавать сложные симуляции, которые цифровые компьютеры в то время не могли. Двенадцать-четырнадцать были построены и приобретены предприятиями и учебными заведениями.

Компьютер FLODAC был построен в 1964 году как доказательство концепции жидкостного цифрового компьютера . [12]

Жидкостные компоненты появляются в некоторых гидравлических и пневматических системах, включая некоторые автомобильные автоматические трансмиссии . Поскольку электронная цифровая логика стала более принятой в промышленном управлении, роль струйной техники в промышленном управлении снизилась.

На потребительском рынке растет популярность и присутствие жидкостно-управляемых продуктов, устанавливаемых в предметы, начиная от игрушечных распылителей до душевых головок и струй для джакузи; все они обеспечивают колеблющиеся или пульсирующие потоки воздуха или воды. Также были исследованы текстильные изделия с поддержкой логики для применения в носимых технологиях . [13]

Жидкостную логику можно использовать для создания клапана без подвижных частей, например, в некоторых анестезиологических аппаратах . [14]

Жидкостные осцилляторы использовались при проектировании аварийных вентиляторов, запускаемых давлением и пригодных для 3D-печати , для пандемии COVID-19 . [15] [16] [17]

Гидравлические усилители используются для генерации ультразвука для неразрушающего контроля путем быстрого переключения сжатого воздуха с одного выхода на другой. [18]

Система жидкостного усиления звука была продемонстрирована в синагоге, где обычное электронное усиление звука не может быть использовано по религиозным соображениям. [19] [20]

Жидкостная инъекция исследуется для использования в самолетах для управления направлением двумя способами: управление циркуляцией и вектор тяги . 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 транспортных средств. При управлении циркуляцией, вблизи задних кромок крыльев, системы управления полетом самолета , такие как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , заменяются отверстиями, обычно рядами отверстий или удлиненными щелями, которые испускают потоки жидкости. [21] [22] [23] При управлении вектором тяги , в соплах реактивных двигателей , поворотные части заменяются отверстиями, которые впрыскивают потоки жидкости в струи. [24] Такие системы отклоняют тягу с помощью эффектов жидкости. Испытания показывают, что воздух, нагнетаемый в выхлопной поток реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. [24] В таких случаях струйная техника желательна из-за более низкой массы, стоимости (до 50% меньше), сопротивления (до 15% меньше во время использования), инерции (для более быстрого и сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньше или совсем нет движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и эффективной поверхности рассеяния для обеспечения скрытности . [25] [26] Это, вероятно, будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), истребителях 6-го поколения и кораблях .

По состоянию на 2023 год , по крайней мере, две страны, как известно, исследуют жидкостное управление. В Великобритании BAE Systems испытала два жидкостно-управляемых беспилотных летательных аппарата, один из которых был запущен в 2010 году под названием Demon [27] [ 28] , а другой был запущен в 2017 году под названием MAGMA совместно с Манчестерским университетом [29] . В Соединенных Штатах программа Агентства перспективных исследовательских проектов обороны ( DARPA ) под названием Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE) стремится «... спроектировать, построить и провести летные испытания нового X-plane, который включает активное управление потоком (AFC) в качестве основного конструкторского решения. ... В 2023 году самолет получил официальное обозначение X-65». [30] [31] Зимой 2024 года началось строительство на дочерней компании Boeing Aurora Flight Sciences [32 ]. Летом 2025 года должны начаться летные испытания [32] .

Octobot , прототип мягкотелого автономного робота 2016 года, содержащего микрофлюидную логическую схему , был разработан исследователями из Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета . [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нгуен, Куинь; Абуэцци, Джоанна; Ристроф, Лейф (2021-05-17). «Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки усиливают диодность макрожидкостного клапана Теслы». Nature Communications . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Bibcode :2021NatCo..12.2884N. doi : 10.1038/s41467-021-23009-y . PMC  8128925 . PMID  34001882.
  2. ^ Маккетта, Джон (1985-11-21). Энциклопедия химической обработки и проектирования: Том 23 – Поток жидкости. CRC Press. стр. 28. ISBN 9780824724733.
  3. ^ Брэдбери, Уилбур (1967-05-19). Люс, Генри (ред.). «Просроченная идея, положенная в блокнот». Жизнь . Время . С. 115–116.
  4. ^ Джойс, Джеймс У. (август 1983 г.). «Fluidics: Basic Components and Applications». Defense Technical Information Center . Мэриленд. Архивировано из оригинала 2021-12-11 . Получено 2018-07-10 .
  5. ^ Gottron, R.; Kumar, V.; Corrado, A. (август 1975 г.). «Применение жидкостей в Северной Америке». IFAC Proceedings Volumes . 8 (1): 531–538. doi : 10.1016/S1474-6670(17)67511-6 .
  6. ^ "People". IEEE Spectrum . 12 (4): 108–109. Апрель 1975. doi :10.1109/MSPEC.1975.6368799.
  7. ^ "CRD объявляет победителей 22 премий за достижения в области НИОКР" (PDF) . Army R&D Magazine . Vol. 2, no. 8. August 1961 . Получено 2018-07-10 .
  8. ^ Бликштейн, Пауло. «Программируемая вода: вычисления — это не только электроника». Blikstein Consultoria . Стэнфордский университет . Получено 23 июня 2019 г.
  9. ^ Пракаш, Ману (2007-02-08). "Manu Prakash: Research: Bubble Logic". Массачусетский технологический институт (MIT). Архивировано из оригинала 2012-01-26 . Получено 2019-06-23 .
  10. ^ Тесарж, Вацлав (2019-08-09). "Схемы с задержкой времени для жидкостных осцилляторов и формирователей импульсов". Energies . 12 (16): 3071. doi : 10.3390/en12163071 . ISSN  1996-1073.
  11. ^ Stong, CL (август 1962). «Ученый-любитель. Как потоки воды можно использовать для создания аналогов электронных ламп и схем». Scientific American . стр. 128–138 . Получено 28.04.2020 .
  12. ^ «Труды – Осенняя совместная компьютерная конференция» (PDF) . 1964. С. 631–641.
  13. ^ Раджаппан, Ануп; Джумет, Барклай; Шведа, Рэйчел А.; Деккер, Колтер Дж.; Лю, Чжэнь; Яп, Те Фэй; Санчес, Ванесса; Престон, Дэниел Дж. (30.08.2022). «Текстиль с поддержкой логики». Труды Национальной академии наук . 119 (35): e2202118119. Bibcode : 2022PNAS..11902118R. doi : 10.1073/pnas.2202118119. ISSN  0027-8424. PMC 9436326. PMID 35994641  . 
  14. ^ Мейер, Джеймс А.; Джойс, Джеймс У. (1968). «Усилитель жидкости и его применение в медицинских устройствах». Анестезия и анальгезия . 47 (6): 710–716. doi :10.1213/00000539-196811000-00015. PMID  5247311. S2CID  28322668.
  15. ^ "3D-печатный аппарат ИВЛ с открытым исходным кодом для медицинских целей" . Получено 2020-04-28 .
  16. ^ "Worldwide Ventilator" . Получено 2020-04-28 .
  17. ^ "Волонтеры разрабатывают 3D-печатный аппарат искусственной вентиляции легких на основе конструкции армии США 1965 года". 2020-04-09 . Получено 2020-04-28 .
  18. ^ Бюлинг, Бенджамин; Странгфельд, Кристоф; Маак, Стефан; Швейцер, Торге (01.04.2021). «Экспериментальный анализ акустического поля ультразвукового импульса, индуцированного жидкостным переключателем». Журнал Акустического общества Америки . 149 (4): 2150–2158. Bibcode : 2021ASAJ..149.2150B. doi : 10.1121/10.0003937 . ISSN  0001-4966. PMID  33940860. S2CID  233568721.
  19. ^ Држевецкий, Тадеуш М. (1996-12-03). "Акусто-флюидное усиление звука для ортодоксальных еврейских молитвенных пространств". Acoustics Lay Language Papers . Acoustical Society of America . Получено 2024-04-23 .
  20. ^ Штраус, Стивен (1997-02-01). "Kosher Sound". MIT Technology Review . Получено 2024-04-23 .
  21. ^ Джон, П. (2010). «Программа комплексных промышленных исследований беззакрылых воздушных транспортных средств (FLAVIIR) в авиационной технике». Труды Института инженеров-механиков, часть G: Журнал аэрокосмической техники . 224 (4). Лондон: Издания по машиностроению: 355–363. doi : 10.1243/09544100JAERO580. hdl : 1826/5579 . ISSN  0954-4100. S2CID  56205932. Архивировано из оригинала 17.05.2018.
  22. ^ "Showcase UAV Demonstrates Flapless Flight". BAE Systems. 2010. Архивировано из оригинала 2011-07-07 . Получено 2010-12-22 .
  23. ^ "Демонический БПЛА вошел в историю, летая без закрылков". Metro.co.uk . Лондон: Associated Newspapers Limited. 2010-09-28.
  24. ^ ab Yagle, PJ; Miller, DN; Ginn, KB; Hamstra, JW (2001). «Демонстрация перекоса горловины жидкости для управления вектором тяги в структурно фиксированных соплах». Журнал инженерного дела по газовым турбинам и энергетике . 123 (3): 502–508. doi :10.1115/1.1361109.
  25. ^ Uppal, Rahesh (2022-03-03). "Активное управление потоком для самолетов-невидимок и дронов". Международная оборона, безопасность и технологии (IDST) . Получено 2023-05-30 .
  26. ^ Снижение заметности самолетов (видео). Европа, США: Организация Североатлантического договора (НАТО). 2018-08-03 . Получено 2023-05-30 .
  27. ^ Кристофер, Домбровски (2010-10-05). "Новый испытательный самолет летает без поверхностей управления". Ars Technica . Wired Media Group . Получено 2019-06-21 .
  28. ^ Акс, Дэвид (2019-02-13). «Бомбардировщики F-22 и B-2 устарели: грядет новое поколение суперневидимок». The National Interest . Центр национальных интересов . Получено 21 июня 2019 г.
  29. ^ "Успешное завершение первого летного испытания беспилотного летательного аппарата MAGMA". BAE Systems . 2017-12-13 . Получено 2019-06-21 .
  30. ^ Влезиен, Ричард. «Управление революционными самолетами с новыми эффекторами (CRANE)». Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны ( DARPA ) . Получено 04.10.2023 .
  31. ^ Trimble, Steve (2023-05-16). "DARPA получает обозначение X-65 для эксперимента с активным потоком". Aviation Week & Space Technology . Получено 2023-10-04 .
  32. ^ ab Smith, Carmen (2024-01-03). "Aurora начинает строить полномасштабный X-Plane с активным управлением потоком". Aurora Flight Sciences , Boeing (пресс-релиз) . Получено 2024-02-01 .
  33. ^ Берроуз, Лия (2016). «Первый автономный, полностью мягкий робот» . Получено 12 июня 2019 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Гидравлика» .