Fluidica

fluídica, o lógica fluídica, es el uso de un fluido para realizar operaciones analógicas o digitales similares a las realizadas con la electrónica.

La base física de la fluídica es la neumática y la hidráulica, basándose en los fundamentos teóricos de la dinámica de fluidos. El término fluídicos se utiliza normalmente cuando los dispositivos no tienen partes móviles, por lo que los componentes hidráulicos ordinarios, como los cilindros hidráulicos y las válvulas de carrete, no se consideran ni se denominan dispositivos fluídicos.

Un chorro de líquido puede ser desviado por un chorro más débil que lo golpea lateralmente. Esto proporciona una amplificación no lineal, similar al transistor utilizado en la lógica digital electrónica. Se utiliza principalmente en entornos donde la lógica digital electrónica no sería confiable, como en sistemas expuestos a altos niveles de interferencia electromagnética o radiación ionizante.

La nanotecnología considera la fluídica como uno de sus instrumentos. En este dominio, efectos como las fuerzas de interfaz fluido-sólido y fluido-fluido suelen ser muy significativos. Los fluidos también se han utilizado para aplicaciones militares.

Historia

En 1920, Nikola Tesla patentó un conducto valvular o válvula Tesla que funciona como un diodo fluídico. Es un diodo con fugas, es decir, el flujo inverso es distinto de cero para cualquier diferencia de presión aplicada. La válvula Tesla también tiene una respuesta no lineal, ya que su diodicidad depende de la frecuencia. Podría usarse en circuitos de fluidos, como un rectificador de onda completa, para convertir CA en CC. En 1957, Billy M. Horton de los Laboratorios Harry Diamond (que más tarde pasó a formar parte del Laboratorio de Investigación del Ejército) tuvo por primera vez la idea del amplificador fluídico cuando se dio cuenta de que podía redirigir la dirección de los gases de combustión utilizando un pequeño fuelle.. Propuso una teoría sobre la interacción de corrientes, afirmando que se puede lograr amplificación desviando una corriente de fluido con una corriente de fluido diferente. En 1959, Horton y sus asociados, el Dr. R. E. Bowles y Ray Warren, construyeron una familia de amplificadores de vórtice funcionales con jabón, linóleo y madera. Su resultado publicado llamó la atención de varias industrias importantes y generó un gran interés en la aplicación de la fluídica (entonces llamada amplificación de fluidos) a sistemas de control sofisticados, que duró toda la década de 1960. A Horton se le atribuye el desarrollo del primer dispositivo de control de amplificador de fluidos y el lanzamiento del campo de la fluídica. En 1961, Horton, Warren y Bowles estuvieron entre los 27 destinatarios del primer Premio a los logros en investigación y desarrollo del ejército por desarrollar el dispositivo de control del amplificador de fluido.

Elementos lógicos

Se pueden construir puertas lógicas que utilicen agua en lugar de electricidad para alimentar la función de puerta. Estos dependen de estar colocados en una orientación para funcionar correctamente. Una puerta OR consiste simplemente en dos tuberías que se fusionan, y una puerta NOT (inversor) consta de "A" desviar un flujo de suministro para producir Ā. Las puertas AND y XOR se muestran en el diagrama. También se podría implementar un inversor con la puerta XOR, ya que A XOR 1 = Â.

Otro tipo de lógica fluídica es la lógica de burbujas. Las puertas lógicas de burbujas conservan el número de bits que entran y salen del dispositivo, porque las burbujas no se producen ni se destruyen en la operación lógica, de forma análoga a las puertas de las computadoras con bolas de billar.

Componentes

Amplificadores

En un amplificador fluídico, un suministro de fluido, que puede ser aire, agua o fluido hidráulico, ingresa por la parte inferior. La presión aplicada a los puertos de control C₁ o C₂ desvía la corriente, de modo que sale por cualquiera de los puertos O₁ u O ₂. La corriente que ingresa a los puertos de control puede ser mucho más débil que la corriente que se desvía, por lo que el dispositivo tiene ganancia.

Este dispositivo básico se puede utilizar para construir otros elementos de lógica fluídica, así como osciladores fluídicos que se pueden utilizar de forma análoga a los flip-flops. De este modo se pueden construir sistemas simples de lógica digital.

Los amplificadores fluídicos suelen tener anchos de banda en el rango bajo de kilohercios, por lo que los sistemas construidos a partir de ellos son bastante lentos en comparación con los dispositivos electrónicos.

Triodos

Se ha inventado el triodo fluídico, un dispositivo de amplificación que utiliza un fluido para transmitir la señal, al igual que los diodos fluidos, un oscilador fluido y una variedad de "circuitos" incluido uno que no tiene contraparte electrónica.

Usos

La computadora MONIAC construida en 1949 era una computadora analógica basada en fluidos utilizada para enseñar principios económicos, ya que podía recrear simulaciones complejas que las computadoras digitales no podían en ese momento. De doce a catorce fueron construidos y adquiridos por empresas y establecimientos docentes.

La computadora FLODAC fue construida en 1964 como una prueba de concepto de computadora digital basada en fluidos.

Los componentes fluidos aparecen en algunos sistemas hidráulicos y neumáticos, incluidas algunas transmisiones automáticas de automóviles. A medida que la lógica digital se ha vuelto más aceptada en el control industrial, el papel de los fluidos en el control industrial ha disminuido.

En el mercado de consumo, los productos controlados por fluidos están aumentando en popularidad y presencia, instalados en artículos que van desde pistolas rociadoras de juguete hasta cabezales de ducha y chorros de jacuzzi; todos proporcionan corrientes de aire o agua oscilantes o pulsantes. También se han investigado textiles con lógica para aplicaciones en tecnología portátil.

Se puede utilizar la lógica de fluidos para crear una válvula sin partes móviles, como en algunas máquinas de anestesia.

Se utilizaron osciladores de fluidos en el diseño de ventiladores de emergencia imprimibles en 3D y activados por presión para la pandemia de COVID-19.

Los amplificadores de fluidos se utilizan para generar ultrasonido para pruebas no destructivas al cambiar rápidamente el aire presurizado de una salida a otra.

Se está investigando la inyección de fluidos para su utilización en aeronaves para controlar la dirección, de dos maneras: control de circulación y vectores. En ambos, las piezas mecánicas más complejas son reemplazadas por sistemas fluidos, en los que las fuerzas más grandes de fluidos son desviadas por chorros más pequeños o flujos de fluido intermitentemente, para cambiar la dirección de los vehículos. En control de circulación, cerca de los bordes de las alas, los sistemas de control de vuelo de aeronaves como ailerones, ascensores, elevones, solapas y flaperons son reemplazados por ranuras que emiten flujos de fluidos. En la propulsión vectorial, en las boquillas del motor de chorro, las partes giratorias son reemplazadas por ranuras que inyectan flujos de fluido en chorros. Tales sistemas desvían el empuje a través de efectos líquidos. Las pruebas muestran que el aire forzado en un flujo de escape del motor de chorro puede desviar hasta 15 grados. En tales usos, los fluidos son deseables para menor: masa, costo (hasta un 50% menos), arrastrar (hasta un 15% menos durante el uso), inercia (para una respuesta de control más rápida y más fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos o ninguna parte móvil o superficies, menos mantenimiento), y sección de radar para el sigilo. Esto probablemente se utilizará en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAVs), aviones de combate de 6a generación y buques.

A partir de 2023, se sabe que al menos dos países están investigando el control de fluidos. En Gran Bretaña, BAE Systems ha probado dos aviones no tripulados controlados por fluidos, uno a partir de 2010 llamado Demon y otro a partir de 2017 llamado MAGMA, con la Universidad de Manchester. En Estados Unidos, el programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) denominado Control de Aeronaves Revolucionarias con Nuevos Efectores (CRANE) busca "..., construir y probar en vuelo un novedoso avión X que incorpora control de flujo activo (AFC) como consideración principal de diseño.... En 2023, el avión recibió su designación oficial como X-65."

Octobot, una prueba de concepto de robot autónomo de cuerpo blando de 2016 que contiene un circuito lógico de microfluidos, ha sido desarrollado por investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard.