Флюидная логика: принципы и применение

Введение

Использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций

Флюидика, или флюидная логика, – это использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций, аналогичных тем, что выполняются в электронике. Физической основой флюидики являются пневматика и гидравлика, базирующиеся на теоретических принципах гидродинамики. Термин "флюидика" обычно применяется к устройствам, не имеющим движущихся частей, поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидравлические цилиндры и золотниковые клапаны, не рассматриваются и не называются флюидическими устройствами. Струя жидкости может отклоняться более слабой струей, направленной на нее сбоку. Это обеспечивает нелинейное усиление, подобное усилению, достигаемому транзистором в электронной цифровой логике. Флюидика в основном используется в средах, где электронная цифровая логика была бы ненадежна, например, в системах, подверженных воздействию высоких уровней электромагнитных помех или ионизирующего излучения. Нанотехнологии рассматривают флюидику как один из своих инструментов. В этой области эффекты, такие как силы взаимодействия жидкость-твердое тело и жидкость-жидкость, часто имеют большое значение. Флюидика также применялась в военных разработках.

История

В 1920 году Никола Тесла запатентовал клапанный трубопровод, или клапан Тесла, который работает как флюидный диод. Это был диод с утечкой, то есть обратный поток ненулевой при любой приложенной разнице давлений. Клапан Теслы также обладал нелинейной характеристикой, поскольку его диодичность зависела от частоты. Его можно использовать в жидкостных цепях, например, в полноволновом выпрямителе, для преобразования переменного тока в постоянный. В 1957 году Билли М. Хортон из лаборатории Гарри Даймонда (позднее вошедшей в состав Армейской исследовательской лаборатории) впервые выдвинул идею флюидного усилителя, осознав, что можно изменять направление потока дымовых газов с помощью небольшого меха. Он предложил теорию взаимодействия струй, согласно которой усиление можно достичь, отклоняя одну струю жидкости другой. В 1959 году Хортон и его коллеги, доктор Р. Э. Боулз и Рэй Уоррен, создали серию рабочих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева. Их опубликованные результаты привлекли внимание ряда крупных промышленных предприятий и вызвали всплеск интереса к применению флюидики (тогда называемой усилением потока) в сложных системах управления, который продолжался в течение 1960-х годов. Хортон считается разработчиком первого устройства управления на основе флюидного усилителя и основоположником области флюидики. В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 лауреатов первой премии Армии за достижения в области исследований и разработок за создание устройства управления флюидным усилителем.

Логические элементы

Логические элементы могут быть созданы на основе воды вместо электричества для реализации функции переключения. Их работоспособность зависит от точного позиционирования. Элемент ИЛИ (OR) представляет собой простое объединение двух труб, а элемент НЕ (NOT, инвертор) состоит из отклонения потока "A" для получения Ā. Элементы И (AND) и Исключающее ИЛИ (XOR) схематично изображены на диаграмме. Инвертор также может быть реализован с помощью элемента XOR, поскольку A XOR 1 = Ā. Другим видом флюидной логики является пузырьковая логика. Элементы пузырьковой логики сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, поскольку пузырьки не создаются и не уничтожаются в процессе логической операции, подобно элементам компьютерных устройств, использующих бильярдные шары.

Усилители

В флюидном усилителе подача жидкости – это может быть воздух, вода или гидравлическая жидкость – поступает снизу. Давление, приложенное к управляющим портам C1 или C2, отклоняет поток, направляя его либо к выходу O1, либо к выходу O2. Поток, поступающий в управляющие порты, может быть значительно слабее отклоняемого потока, что обеспечивает усиление сигнала. Это базовое устройство может использоваться для создания других флюидных логических элементов, а также флюидных осцилляторов, которые могут применяться аналогично триггерам. Таким образом, можно построить простые цифровые логические схемы. Флюидные усилители обычно имеют полосу пропускания в диапазоне низких килогерц, поэтому системы, построенные на их основе, значительно медленнее электронных устройств.

Триоды

Были изобретены флюидный триод – усилительное устройство, использующее жидкость для передачи сигнала, – а также флюидные диоды, флюидный осциллятор и разнообразные гидравлические "схемы", включая те, что не имеют электронных аналогов.

Применение

Компьютер MONIAC, построенный в 1949 году, был аналоговым компьютером на основе жидкости, использовавшимся для обучения экономическим принципам, поскольку он мог воссоздавать сложные симуляции, которые цифровые компьютеры не могли выполнить в то время. Было построено от двенадцати до четырнадцати экземпляров, которые приобрели предприятия и учебные заведения. Компьютер FLODAC был создан в 1964 году в качестве демонстрации концепции цифрового компьютера на основе жидкости. Флюидные компоненты применяются в некоторых гидравлических и пневматических системах, включая некоторые автомобильные автоматические трансмиссии. С распространением электронной цифровой логики в промышленном управлении роль флюидики в этой области снизилась. На потребительском рынке востребованность и распространенность изделий с флюидным управлением растет, они устанавливаются в самых разных устройствах – от игрушечных пульверизаторов до душевых леек и гидромассажных форсунок; все они обеспечивают колебательные или пульсирующие потоки воздуха или воды. Также ведутся исследования логически управляемых тканей для применения в носимых технологиях. Флюидная логика может быть использована для создания клапана без движущихся частей, например, в некоторых аппаратах анестезии. Флюидные осцилляторы применялись при разработке аварийных аппаратов искусственной вентиляции легких с 3D-печатью, активируемых давлением, для борьбы с пандемией COVID-19. Флюидные усилители используются для генерации ультразвука в неразрушающем контроле путем быстрого переключения сжатого воздуха с одного выходного отверстия на другое. В синагоге, где по религиозным причинам нельзя использовать обычную электронную звукоусиливающую аппаратуру, была продемонстрирована система усиления звука на основе флюидной технологии. Исследуется возможность применения флюидного впрыска в авиации для управления направлением полета двумя способами: управлением циркуляцией и векторированием тяги. В обоих случаях более крупные и сложные механические детали заменяются флюидными системами, в которых большие силы в жидкостях отклоняются меньшими струями или потоками жидкости, прерывисто изменяя направление движения аппарата. В системе управления циркуляцией, вблизи задней кромки крыла, элементы управления полетом, такие как элероны, рули высоты, элевоны, закрылки и предкрылки, заменяются отверстиями, обычно рядами отверстий или удлиненными щелями, из которых выпускаются потоки жидкости. В системе векторирования тяги, в соплах реактивных двигателей, подвижные части заменяются отверстиями, впрыскивающими потоки жидкости в реактивную струю. Такие системы отклоняют тягу за счет флюидных эффектов. Испытания показали, что воздух, подаваемый в выхлопную струю реактивного двигателя, может отклонить тягу до 15 градусов. Вероятно, это будет применяться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), истребителях шестого поколения и кораблях. По состоянию на 2023 год, как минимум две страны проводят исследования в области флюидного управления. В Великобритании компания BAE Systems испытывает два беспилотных летательных аппарата с флюидным управлением: один, начатый в 2010 году, под названием Demon, и другой, начатый в 2017 году, под названием MAGMA, совместно с Манчестерским университетом. В Соединенных Штатах программа Агентства передовых исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) под названием "Управление революционными самолетами с использованием новых эффекторов" (CRANE) направлена на "проектирование, создание и летные испытания нового самолета X, в котором активное управление потоком (AFC) рассматривается как ключевой элемент конструкции. В 2023 году самолет получил официальное обозначение X-65". Зимой 2024 года началось строительство на предприятии Aurora Flight Sciences, дочерней компании Boeing. Летом 2025 года планируется начать летные испытания.

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.