Fluídica - Fluidics

Um módulo com dois fluxos de entrada na parte superior, um balde de saída AND no meio e um fluxo de saída XOR na parte inferior.

Fluídica , ou lógica fluídica , é o uso de um fluido para realizar operações analógicas ou digitais semelhantes às realizadas com eletrônicos .

A base física da fluídica é a pneumática e a hidráulica , com base na fundamentação teórica da dinâmica dos fluidos . O termo fluídico é normalmente usado quando os dispositivos não têm partes móveis , portanto, componentes hidráulicos comuns, como cilindros hidráulicos e válvulas de carretel, não são considerados ou referidos como dispositivos fluídicos.

Um jato de fluido pode ser desviado por um jato mais fraco atingindo-o na lateral. Isso fornece amplificação não linear , semelhante ao transistor usado na lógica digital eletrônica. É usado principalmente em ambientes onde a lógica digital eletrônica não seria confiável, como em sistemas expostos a altos níveis de interferência eletromagnética ou radiação ionizante .

A nanotecnologia considera a fluídica um de seus instrumentos. Nesse domínio, efeitos como as forças de interface fluido-sólido e fluido-fluido são frequentemente altamente significativos. Fluídicos também têm sido usados ​​para aplicações militares.

História

Em 1920, Nikola Tesla patenteou um conduíte valvular ou válvula Tesla que funciona como um diodo fluídico. É um diodo com vazamento, ou seja, o fluxo reverso é diferente de zero para qualquer diferença de pressão aplicada. A válvula Tesla também tem resposta não linear, pois sua diodicidade depende da frequência. Ele pode ser usado em circuitos de fluido, como um retificador de onda completa, para converter CA em CC. Em 1957, Billy M. Horton dos Laboratórios Harry Diamond (que mais tarde se tornou parte do Laboratório de Pesquisa do Exército ) teve pela primeira vez a ideia do amplificador fluídico quando percebeu que poderia redirecionar a direção dos gases de combustão usando um pequeno fole . Ele propôs uma teoria na interação da corrente, afirmando que se pode obter amplificação desviando uma corrente de fluido com uma corrente diferente de fluido. Em 1959, Horton e seus associados, Dr. RE Bowles e Ray Warren, construíram uma família de amplificadores de vórtice de sabão, linóleo e madeira. O resultado publicado chamou a atenção de várias indústrias importantes e criou um surto de interesse na aplicação de fluidos (então chamados de amplificação de fluidos) a sistemas de controle sofisticados, que durou por toda a década de 1960. Horton é creditado por desenvolver o primeiro dispositivo de controle de amplificador de fluido e lançar o campo da fluídica. Em 1961, Horton, Warren e Bowles estavam entre os 27 destinatários do primeiro Prêmio de Realização de Pesquisa e Desenvolvimento do Exército pelo desenvolvimento do dispositivo de controle do amplificador de fluido.

Elementos lógicos

Podem ser construídos portões lógicos que usam água em vez de eletricidade para alimentar a função de bloqueio. Eles dependem de serem posicionados em uma orientação para funcionar corretamente. Uma porta OR é simplesmente dois tubos sendo fundidos, e uma porta NOT (inversor) consiste em "A" desviando um fluxo de suprimento para produzir Ā. As portas AND e XOR são esboçadas no diagrama. Um inversor também pode ser implementado com a porta XOR, como A XOR 1 = Ā.

Outro tipo de lógica fluídica é a lógica da bolha . As portas lógicas de bolha conservam o número de bits que entram e saem do dispositivo, porque as bolhas não são produzidas nem destruídas na operação lógica, análoga às portas de computador de bola de bilhar .

Componentes

Um vídeo que simula o fluxo interno de um oscilador de feedback fluídico.

Amplificadores

Amplificador fluídico, mostrando fluxo em ambos os estados, da Patente US 4.000.757 .

Em um amplificador fluídico, um suprimento de fluido, que pode ser ar, água ou fluido hidráulico , entra na parte inferior. A pressão aplicada às portas de controle C 1 ou C 2 desvia o fluxo, de modo que ele saia pela porta O 1 ou O 2 . O fluxo que entra nas portas de controle pode ser muito mais fraco do que o fluxo sendo desviado, portanto, o dispositivo tem ganho .

Este dispositivo básico pode ser usado para construir outros elementos lógicos fluídicos, bem como osciladores fluídicos que podem ser usados ​​de forma análoga aos flip-flops . Assim, sistemas simples de lógica digital podem ser construídos.

Amplificadores fluídicos normalmente têm larguras de banda na faixa de quilohertz baixo , portanto, os sistemas construídos a partir deles são muito lentos em comparação com dispositivos eletrônicos.

Triodes

O triodo fluídico é um dispositivo de amplificação que usa um fluido para transmitir o sinal . O triodo fluídico foi inventado em 1962 por Murray O. Meetze, Jr., um estudante do ensino médio em Heath Springs, SC, que também construiu um diodo fluido, um oscilador de fluido e uma variedade de "circuitos" hidráulicos, incluindo um que não tem eletrônicos contrapartida. Os triodos fluídicos foram usados ​​como o estágio final no sistema principal de endereços públicos na Feira Mundial de 1964 em Nova York .

Embora muito estudados em laboratório, têm poucas aplicações práticas. Muitos esperam que eles sejam elementos-chave da nanotecnologia .

Usos

O computador MONIAC construído em 1949 era um computador analógico baseado em fluido usado para ensinar princípios econômicos, pois podia recriar simulações complexas que os computadores digitais não podiam na época. Doze a quatorze foram construídos e adquiridos por empresas e estabelecimentos de ensino.

O FLODAC Computer foi construído em 1964 como uma prova de conceito de computador digital fluido.

Componentes fluídicos aparecem em alguns sistemas hidráulicos e pneumáticos, incluindo algumas transmissões automáticas automotivas . À medida que a lógica digital se tornou mais aceita no controle industrial, o papel da fluídica no controle industrial diminuiu.

No mercado de consumo, os produtos controlados por fluidos estão aumentando em popularidade e presença, instalados em itens que vão desde pistolas de pulverização de brinquedo até chuveiros e jatos de hidromassagem; todos fornecem fluxos oscilantes ou pulsantes de ar ou água.

A lógica de fluido pode ser usada para criar uma válvula sem partes móveis, como em algumas máquinas anestésicas .

Os osciladores fluídicos foram usados ​​no projeto de ventiladores de emergência acionados por pressão e imprimíveis em 3D para a pandemia de COVID-19 .

Os amplificadores fluídicos são usados ​​para gerar ultrassom para testes não destrutivos, alternando rapidamente o ar pressurizado de uma saída para outra.

A injeção de fluidos está sendo pesquisada para uso em aeronaves para controle de direção, de duas formas: controle de circulação e vetorização de empuxo . Em ambos, peças mecânicas maiores e mais complexas são substituídas por sistemas fluídicos, nos quais forças maiores nos fluidos são desviadas por jatos menores ou fluxos de fluido intermitentemente, para mudar a direção dos veículos. No controle de circulação, próximo às bordas de fuga das asas, os sistemas de controle de voo da aeronave , como ailerons , elevadores , elevons , flaps e flaperons são substituídos por fendas que emitem fluxos de fluidos. Na vetorização de empuxo , nos bicos dos motores a jato , as peças giratórias são substituídas por fendas que injetam fluxos de fluido nos jatos. Esses sistemas desviam o impulso por meio de efeitos de fluido. Testes mostram que o ar forçado para dentro do fluxo de exaustão de um motor a jato pode desviar o empuxo até 15 graus. Em tais usos, a fluídica é desejável para menor: massa, custo (até 50% menos), arrasto (até 15% menos durante o uso), inércia (para resposta de controle mais rápida e mais forte), complexidade (mecanicamente mais simples, menos ou nenhum partes ou superfícies móveis, menos manutenção) e seção transversal de radar para camuflagem . Isso provavelmente será usado em muitos veículos aéreos não tripulados (UAVs), aeronaves de caça de 6ª geração e navios .

A BAE Systems testou duas aeronaves não tripuladas de controle fluido, uma começando em 2010 com o nome de Demon e outra começando em 2017 com o nome de MAGMA , com a Universidade de Manchester .

Octobot , uma prova de conceito de corpo mole robô autônomo contendo uma microfluídico circuito lógico , foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Harvard 's Wyss Institute for Biologicamente Inspirada Engenharia .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos