Сұйықтарды қолданып есептеу? Флюидика – жылжымайтын бөліктері жоқ пневматика мен гидравлика негізіндегі аналогтық/цифрлық операциялар. Жаңа технология!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйықтықты аналогтық немесе цифрлық операцияларды орындау үшін пайдалану
Use of a fluid to perform analog or digital operations
Флюидика, немесе сұйықтық логикасы – электроникамен орындалатын аналогтық немесе цифрлық операцияларға ұқсас операцияларды орындау үшін сұйықтықты пайдалану. Флюидиканың физикалық негізі – пневматика және гидравлика, олар сұйықтық динамикасының теориялық негіздеріне негізделген. Флюидика термині әдетте құрылғыларда жылжымалы бөліктер болмаған жағдайларда қолданылады, сондықтан гидравликалық цилиндрлер және клапанды клапандар сияқты қарапайым гидравликалық компоненттер флюидтық құрылғылар деп есептелмейді немесе аталмайды. Сұйықтық ағыны оған бүйінен соққан әлсіз ағынмен бұрылуы мүмкін. Бұл электрондық цифрлық логикада қолданылатын транзисторға ұқсас бейсызық күшейтуді қамтамасыз етеді. Ол көбінесе электрондық цифрлық логиканың сенімді болмайтын ортада қолданылады, мысалы, жоғары деңгейдегі электромагниттік кедергілерге немесе иондаушы сәулелерге ұшыраған жүйелерде. Нанотехнология флюидиканы өзінің құралдарының бірі ретінде қарастырады. Бұл саласында сұйықтық-қатты және сұйықтық-сұйықтық арасындағы күштер сияқты әсерлер жиі өте маңызды. Флюидика сонымен қатар әскери мақсаттар үшін де қолданылған.
Fluidics, or fluidic logic, is the use of a fluid to perform analog or digital operations similar to those performed with electronics. The physical basis of fluidics is pneumatics and hydraulics, based on the theoretical foundation of fluid dynamics. The term fluidics is normally used when devices have no moving parts, so ordinary hydraulic components such as hydraulic cylinders and spool valves are not considered or referred to as fluidic devices. A jet of fluid can be deflected by a weaker jet striking it at the side. This provides nonlinear amplification, similar to the transistor used in electronic digital logic. It is used mostly in environments where electronic digital logic would be unreliable, as in systems exposed to high levels of electromagnetic interference or ionizing radiation. Nanotechnology considers fluidics as one of its instruments. In this domain, effects such as fluid–solid and fluid–fluid interface forces are often highly significant. Fluidics have also been used for military applications.
Тарих
1920 жылы Никола Тесла флюидтік диод ретінде жұмыс істейтін клапандық өткізгішті немесе Тесла клапанын патенттеді. Бұл – ағып тұратын диод, яғни кез келген қысым айырмашылығында кері ағын нөлдік емес. Тесла клапанының жауабы да сызықтық емес болды, себебі оның диодтығы жиілікке тәуелді еді. Оны сұйықтық тізбектерінде, мысалы, толық толқынды түзетушіде, айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін қолдануға болады. 1957 жылы Гарри Даймонд зертханасының Билли М. Хортон (кейіннен Армия ғылыми-зерттеу зертханасының бөлігі болды) сұйықтық күшейткішінің идеясын алғаш рет ұсынды. Ол кішкентай балға көмегімен түтін газдарының бағытын өзгерте алатынын байқағанда осы ойға келді. Ол ағындардың өзара әрекеттесуі туралы теория ұсынды, яғни бір сұйықтық ағынын екінші сұйықтық ағынымен бұрып күшейтуге болатынын айтты. 1959 жылы Хортон және оның әріптестері, доктор Р.Е. Боулз және Рэй Уоррен, сабын, линолеум және ағаштан жасалған вихрелі күшейткіштер отбасын құрастырды. Олардың жариялаған нәтижелері бірнеше ірі өнеркәсіптердің назарын аударды және 1960 жылдар бойына созылған күрделі басқару жүйелеріне флюидиканы (сол кезде сұйықтық күшейту деп аталған) қолдануға қызығушылықты арттырды. Хортон алғашқы сұйықтық күшейткішін басқару құрылғысын жасап, флюидика саласын дамытуға үлкен үлес қосты. 1961 жылы Хортон, Уоррен және Боулз сұйықтық күшейткішін басқару құрылғысын жасағаны үшін Армияның ғылыми-зерттеу және даму жетістіктерінің алғашқы сыйлығын алған 27 адамның қатарында болды.
In 1920, Nikola Tesla patented a valvular conduit or Tesla valve that works as a fluidic diode. It was a leaky diode, i. e. the reverse flow is non zero for any applied pressure difference. Tesla's valve also had non linear response, as its diodicity had frequency dependence. It could be used in fluid circuits, such as a full wave rectifier, to convert AC to DC. In 1957, Billy M. Horton of the Harry Diamond Laboratories (which later became a part of the Army Research Laboratory) first came up with the idea for the fluidic amplifier when he realized that he could redirect the direction of flue gases using a small bellows. He proposed a theory on stream interaction, stating that one can achieve amplification by deflecting a stream of fluid with a different stream of fluid. In 1959, Horton and his associates, Dr. R. E. Bowles and Ray Warren, constructed a family of working vortex amplifiers out of soap, linoleum, and wood. Their published result caught the attention of several major industries and created a surge of interest in applying fluidics (then called fluid amplification) to sophisticated control systems, which lasted throughout the 1960s. Horton is credited for developing the first fluid amplifier control device and launching the field of fluidics. In 1961, Horton, Warren, and Bowles were among the 27 recipients to receive the first Army Research and Development Achievement Award for developing the fluid amplifier control device.
Логикалық элементтер
Логикалық қақпалар электр энергиясының орнына суды пайдаланып қақпа функциясын іске асыруға болатын құрылғылар болып жасалуы мүмкін. Олардың дұрыс жұмыс істеуі үшін нақты бағытта орналасуы қажет. OR қақпасы – екі құбырдың біріктірілуі, ал NOT қақпасы (инвертор) – "А" ағыны жеткізілгенде, оны бұрып Ā шығарудан тұрады. AND және XOR қақпалары диаграммада көрсетілген. A XOR 1 = Ā теңдігіне сәйкес, инверторды XOR қақпасы арқылы да іске асыруға болады. Сұйықтық логикасының тағы бір түрі – көпіршік логикасы. Көпіршік логикасы қақпаға кіретін және одан шығатын биттер санын сақтайды, себебі логикалық операция кезінде көпіршіктер пайда болмайды да, жойылмайды, бұл бильярд доптарымен жұмыс істейтін компьютерлік қақпаларға ұқсас.
Logic gates can be built that use water instead of electricity to power the gating function. These are reliant on being positioned in one orientation to perform correctly. An OR gate is simply two pipes being merged, and a NOT gate (inverter) consists of "A" deflecting a supply stream to produce Ā. The AND and XOR gates are sketched in the diagram. An inverter could also be implemented with the XOR gate, as A XOR 1 = Ā. Another kind of fluidic logic is bubble logic. Bubble logic gates conserve the number of bits entering and exiting the device, because bubbles are neither produced nor destroyed in the logic operation, analogous to billiard ball computer gates.
Көшейткіштер
Сұйықтық күшейткіште сұйықтық көзі – ауа, су немесе гидравликалық сұйықтық – төменгі жағынан кіреді. C1 немесе C2 басқару порттарына қолданылатын қысым ағынды бұрып, оны O1 немесе O2 порттары арқылы шығарады. Басқару порттарына кіретін ағын, бұрылатын ағыннан әлдеқайда әлсіз болуы мүмкін, сондықтан бұл құрылғыда күшейту қасиеті бар. Осы негізгі құрылғыны басқа сұйықтық логикалық элементтерін құруға болады, сондай-ақ флип-флоптар сияқты қолданылатын сұйықтық осцилляторларын жасауға да болады. Осылайша, қарапайым сандық логика жүйелерін құру мүмкін. Сұйықтық күшейткіштердің өңдеу жылдамдығы көбінесе бірнеше килогерцтен аспайды, сондықтан олардан құралған жүйелер электрондық құрылғылармен салыстырғанда өте баяу жұмыс істейді.
In a fluidic amplifier, a fluid supply, which may be air, water, or hydraulic fluid, enters at the bottom. Pressure applied to the control ports C1 or C2 deflects the stream, so that it exits via either port O1 or O2. The stream entering the control ports may be much weaker than the stream being deflected, so the device has gain. This basic device can be used to construct other fluidic logic elements, as well fluidic oscillators that can be used in analogous way as flip flops. Simple systems of digital logic can thus be built. Fluidic amplifiers typically have bandwidths in the low kilohertz range, so systems built from them are quite slow compared to electronic devices.
Триодтар
Сұйықтық триоды, сигналды жеткізу үшін сұйықтықты пайдаланатын күшейткіш құрылғы, сондай-ақ сұйықтық диодтары, сұйықтық осцилляторы және электрондық әдессізі жоқ бір құрылғыны қоса, әртүрлі гидравликалық "тізбектер" ойлап табылды.
The fluidic triode, an amplification device that uses a fluid to convey the signal, has been invented, as have fluid diodes, a fluid oscillator and a variety of hydraulic "circuits," including one that has no electronic counterpart.
Қолданылуы
1949 жылы салынған MONIAC компьютері сол кездегі цифрлық компьютерлер жасай алмайтын күрделі симуляцияларды қайта жасай алатындықтан, экономикалық принциптерді оқыту үшін қолданылатын сұйықтық негіздегі аналогты компьютер болды. 12-14 данасы бизнес және оқу орындары сатып алды. FLODAC компьютері 1964 жылы сұйықтыққа негізделген цифрлық компьютердің тұжырымдамасын дәлелдеу мақсатымен жасалды. Сұйықтық компоненттері кейбір гидравликалық және пневматикалық жүйелерде, соның ішінде кейбір автомобильдердің автоматты берілістерінде қолданылады. Электрондық цифрлық логика өнеркәсіптік басқаруда кеңінен қабылдануымен, өнеркәсіптік басқарудағы сұйықтықтардың ролі төмендеді. Тұтынушылар нарығында сұйықтықпен басқарылатын өнімдердің танымалдылығы мен қолданысы артып келеді, олар ойыншық шашыратқыштардан бастап душ қабылдағыштар мен гидромассажды ванналардың форсункаларына дейін; барлығы ауа немесе судың тербелісі немесе импульсті ағыстарын қамтамасыз етеді. Киілетін технологияда қолданылатын логикалық тоқымалар да зерттелуде. Сұйықтық логикасы қозғалмалы бөліктері жоқ клапанды құру үшін пайдаланылуы мүмкін, мысалы, кейбір анестезиялық аппараттарда. COVID-19 пандемиясы кезінде 3D-басылыммен жасалған, қысыммен іске қосылатын, шұғыл түрде қолданылатын вентиляторларды құрастыруда сұйықтық осцилляторлары қолданылды. Сұйықтық күшейткіштері қысымды ауаны бір шығыстан екіншісіне жылдам ауыстыру арқылы бұйымды сынау үшін ультрадыбыс тудыруға қолданылады. Дін аясында электрондық дыбыс күшейткіштерді қолдануға рұқсат болмайтын синагогта сұйықтық дыбыс күшейткіш жүйесі көрсетілді. Сұйықтық инъекциясы екі тәсілмен – айналымды басқару және итермелеу векторы арқылы – ұшақтардың бағытын басқару үшін зерттелуде. Екеуінде де үлкен, күрделі механикалық бөлшектер сұйықтық жүйелерімен алмастырылады, онда сұйықтықтағы үлкен күштер көлік құралдарының бағытын өзгерту үшін кішігірім сұйықтық ағындарымен немесе форсункаларымен ауыстырылады. Айналымды басқару кезінде қанаттардың артқы жиектері жанында, ұшақтың басқару жүйелері, мысалы, элерон, лифт, элевон, жақтау және флаперон, тесіктер қатары немесе ұзын саңылаулар сияқты ашылулармен алмастырылады, олар сұйықтық ағынын шығарады. Итермелеу векторында реактивті қозғалтқыш мүндерінде айналмалы бөліктер ағынды сұйықтықты ұшқыштарға енгізетін ашылулармен алмастырылады. Мұндай жүйелер сұйықтық әсері арқылы итермелеуді өзгертеді. Сынақтар көрсеткендей, реактивті қозғалтқыштың шығарылым ағысына күштеп енгізілген ауа итермелеуді 15 градусқа дейін бұра алады. Бұл технология көптеген ұшқышсыз ұшақтарда (UAV), 6-шы буынның жойғыш ұшақтарында және кемелерде қолданылады. 2023 жылға қарай кем дегенде екі ел сұйықтық басқаруын зерттеуде. Ұлыбританияда BAE Systems екі сұйықтықпен басқарылатын ұшқышсыз ұшақты сынақтан өткізді, біреуі 2010 жылы Demon деп, ал екіншісі 2017 жылы Манчестер университетінде MAGMA деп аталды. АҚШ-та Қорғаныс саласындағы кеңейтілген зерттеулер жобалары агенттігінің (DARPA) Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE) бағдарламасы "активті ағынды басқаруды (AFC) негізгі жобалау принципі ретінде қамтитын жаңа X ұшағын жобалау, құрастыру және ұшу сынағынан өткізуді" көздейді. 2023 жылы ұшаққа X 65 деген ресми атау берілді. 2024 жылдың қысында Боингтің еншілес компаниясы Aurora Flight Sciences құрылыс жұмыстарын бастады. 2025 жылдың жазында ұшу сынақтары басталмақ.
The MONIAC Computer built in 1949 was a fluid based analogue computer used for teaching economic principles as it could recreate complex simulations that digital computers could not at the time. Twelve to fourteen were built and acquired by businesses and teaching establishments. The FLODAC Computer was built in 1964 as a proof of concept fluid based digital computer. Fluidic components appear in some hydraulic and pneumatic systems, including some automotive automatic transmissions. As electronic digital logic has become more accepted in industrial control, the role of fluidics in industrial control has declined. In the consumer market, fluidically controlled products are increasing in both popularity and presence, installed in items ranging from toy spray guns through shower heads and hot tub jets; all provide oscillating or pulsating streams of air or water. Logic enabled textiles for applications in wearable technology has also been researched. Fluid logic can be used to create a valve with no moving parts such as in some anaesthetic machines. Fluidic oscillators were used in the design of pressure triggered, 3D printable, emergency ventilators for the COVID 19 pandemic. Fluidic amplifiers are used to generate ultrasound for non destructive testing by quickly switching pressurized air from one outlet to another. A fluidic sound ampliflication system has been demonstrated in a synagogue, where regular electronic sound amplification can not be used for religious reasons. Fluidic injection is being researched for use in aircraft to control direction, in two ways: circulation control and thrust vectoring. In both, larger more complex mechanical parts are replaced by fluidic systems, in which larger forces in fluids are diverted by smaller jets or flows of fluid intermittently, to change the direction of vehicles. In circulation control, near the trailing edges of wings, aircraft flight control systems such as ailerons, elevators, elevons, flaps, and flaperons are replaced by openings, usually rows of holes, or elongated slots, which emit fluid flows. In thrust vectoring, in jet engine nozzles, swiveling parts are replaced by openings which inject fluid flows into jets. Such systems divert thrust via fluid effects. Tests show that air forced into a jet engine exhaust stream can deflect thrust up to 15 degrees. This will likely be used in many unmanned aerial vehicles (UAVs), 6th generation fighter aircraft, and ships. as of 2023, at least two countries are known to be researching fluidic control. In Britain, BAE Systems has tested two fluidically controlled unmanned aircraft, one starting in 2010 named Demon, and another starting in 2017 named MAGMA, with the University of Manchester. In the United States, the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) program named Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE) seeks " to design, build, and flight test a novel X plane that incorporates active flow control (AFC) as a primary design consideration. In 2023, the aircraft received its official designation as X 65." In winter 2024, construction began, at Boeing subsidiary Aurora Flight Sciences. In summer 2025, flight testing is to start.