فلویدیک

یک ماژول با دو جریان ورودی در بالا، یک خروجی AND به‌صورت محفظه در وسط، و یک جریان خروجی XOR در پایین.

فلویدیک یا منطق فلویدیک به استفاده از جریان سیال برای انجام عملیات آنالوگ یا دیجیتال گفته می‌شود، مشابه عملکرد مدارهای الکترونیکی.

پایهٔ فیزیکی فلویدیک بر پنوماتیک و هیدرولیک استوار است و بر اساس اصول نظری دینامیک سیالات شکل گرفته است. اصطلاح فلویدیک معمولاً زمانی به کار می‌رود که دستگاه‌ها بدون قطعات متحرک باشند؛ بنابراین اجزای معمول هیدرولیک مانند سیلندرها و شیرهای سوپاپی به عنوان دستگاه فلویدیک در نظر گرفته نمی‌شوند.

یک جت سیال می‌تواند توسط جت ضعیف‌تری که از کنار به آن برخورد می‌کند، منحرف شود. این ویژگی باعث تقویت غیرخطی می‌شود، مشابه کاری که ترانزیستور در منطق دیجیتال الکترونیکی انجام می‌دهد. فلویدیک عمدتاً در محیط‌هایی استفاده می‌شود که منطق دیجیتال الکترونیکی قابل اعتماد نیست، مانند سیستم‌هایی که در معرض تداخل الکترومغناطیسی شدید یا پرتوهای یونیزان قرار دارند.

فناوری نانو نیز فلویدیک را به عنوان یکی از ابزارهای خود به کار می‌برد؛ در این حوزه، اثراتی مانند نیروهای بین سطح سیال-جامد و سیال-سیال اهمیت بالایی دارند. فلویدیک همچنین در کاربردهای نظامی نیز استفاده شده است.

تاریخچه

در سال ۱۹۲۰، نیکولا تسلا یک کانال سوپاپی یا شیر تسلا (Tesla valve) ثبت اختراع کرد که مانند یک دیود فلویدیک عمل می‌کرد. این دیود دارای نشت جریان بود، به این معنی که جریان معکوس برای هر اختلاف فشار اعمال‌شده صفر نبود. همچنین پاسخ آن غیرخطی بود و ویژگی دیودیک آن به فرکانس وابسته بود. این شیر می‌توانست در مدارهای سیال، مانند یکسوکننده تمام‌موج، برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) مورد استفاده قرار گیرد.[۱]

در سال ۱۹۵۷، بیلی ام. هورتون از آزمایشگاه‌های هری دایموند (که بعدها بخشی از آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش آمریکا شد) ایده تقویت‌کننده فلویدیک را ارائه کرد، زمانی که متوجه شد می‌تواند جهت جریان دود را با استفاده از یک بالون کوچک منحرف کند. او نظریه‌ای دربارهٔ تداخل جریان‌ها ارائه داد و نشان داد که می‌توان با منحرف کردن یک جریان سیال توسط جریان دیگری، تقویت به دست آورد.

در سال ۱۹۵۹، هورتون و همکارانش، دکتر R. E. Bowles و ری وارن (Ray Warren)، مجموعه‌ای از تقویت‌کننده‌های ورتکس عملیاتی را از صابون، لینولئوم و چوب ساختند. نتایج منتشرشدهٔ آن‌ها توجه صنایع بزرگ را جلب کرد و باعث شد علاقه به کاربرد فلویدیک (که آن زمان تقویت فلویدیک نامیده می‌شد) در سیستم‌های کنترل پیچیده در دههٔ ۱۹۶۰ افزایش یابد.[۲][۳]

هورتون به عنوان توسعه‌دهنده اولین دستگاه کنترل تقویت‌کننده فلویدیک و بنیان‌گذار حوزه فلویدیک شناخته می‌شود.[۴] در سال ۱۹۶۱، هورتون، وارن و بولز جزو ۲۷ نفری بودند که اولین جایزه دستاورد تحقیق و توسعه ارتش آمریکا را برای توسعه دستگاه کنترل تقویت‌کننده فلویدیک دریافت کردند.[۵]

عناصر منطقی

می‌توان گیت‌های منطقی ساخت که به جای برق از آب برای عملکرد استفاده کنند. این گیت‌ها باید در جهت مشخصی قرار گیرند تا درست عمل کنند.

  • گیت OR به سادگی با ادغام دو لوله ورودی ساخته می‌شود.
  • گیت NOT (معکوس‌کننده) شامل جریان ورودی "A" است که یک جریان تأمین را منحرف می‌کند تا خروجی Ā تولید شود.
  • گیت‌های AND و XOR نیز قابل پیاده‌سازی هستند و در نمودارهای مربوطه نشان داده شده‌اند. همچنین می‌توان از گیت XOR برای ساخت یک معکوس‌کننده استفاده کرد، زیرا A XOR 1 = Ā.[۶]

نوع دیگری از منطق فلویدیک، Bubble Logic یا منطق حباب است. در این نوع گیت‌ها، تعداد بیت‌های ورودی و خروجی حفظ می‌شود، زیرا در عملیات منطقی، حباب‌ها نه تولید می‌شوند و نه از بین می‌روند. این عملکرد مشابه گیت‌های کامپیوتر توپ بیلیاردی است.[۷]

اجزا

تقویت‌کنندهٔ سیالی، نمایش جریان در هر دو حالت، برگرفته از ثبت اختراع ایالات متحده به شمارهٔ ۴٬۰۰۰٬۷۵۷.

تقویت‌کننده‌ها

در تقویت‌کننده فلویدیک، یک منبع سیال که می‌تواند هوا، آب یا مایع هیدرولیک باشد، از پایین وارد دستگاه می‌شود. فشار اعمال‌شده به پورت‌های کنترل C1 یا C2 جریان را منحرف می‌کند تا از طریق پورت‌های خروجی O1 یا O2 خارج شود. جریان ورودی به پورت‌های کنترل ممکن است بسیار ضعیف‌تر از جریان اصلی باشد، بنابراین دستگاه تقویت دارد.

این دستگاه پایه می‌تواند برای ساخت سایر عناصر منطقی فلویدیک و همچنین نوسان‌سازهای فلویدیک استفاده شود که عملکردی مشابه فلپ‌فلاپ (flip-flop) دارند.[۸] به این ترتیب می‌توان سیستم‌های ساده دیجیتال را با استفاده از فلویدیک ایجاد کرد.

تقویت‌کننده‌های فلویدیک معمولاً پهنای باندی در محدوده کیلوهرتز پایین دارند، بنابراین سیستم‌های ساخته‌شده از آن‌ها نسبت به دستگاه‌های الکترونیکی کندتر عمل می‌کنند.

تریودها

تریود فلویدیک یک دستگاه تقویت‌کننده است که از جریان سیال برای انتقال سیگنال استفاده می‌کند. همچنین دیودهای فلویدیک، نوسان‌سازهای فلویدیک و انواع مختلفی از مدارهای هیدرولیکی ساخته شده‌اند، از جمله مدارهایی که معادل الکترونیکی ندارند.[۹]

کاربردها

کامپیوتر MONIAC که در سال ۱۹۴۹ ساخته شد، یک کامپیوتر آنالوگ مبتنی بر سیال بود که برای آموزش اصول اقتصادی استفاده می‌شد، زیرا قادر بود شبیه‌سازی‌های پیچیده‌ای را بازسازی کند که کامپیوترهای دیجیتال آن زمان قادر به انجام آن نبودند. بین ۱۲ تا ۱۴ دستگاه ساخته شد و توسط کسب‌وکارها و مؤسسات آموزشی خریداری گردید.

کامپیوتر FLODAC در سال ۱۹۶۴ به عنوان یک نمونهٔ مفهومی از کامپیوتر دیجیتال مبتنی بر سیال ساخته شد.[۱۰]

قطعات فلویدیک در برخی سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، از جمله جعبه‌دنده‌های اتوماتیک خودروها، کاربرد دارند. با پذیرش بیشتر منطق دیجیتال الکترونیکی در کنترل صنعتی، نقش فلویدیک در این حوزه کاهش یافته است.

در بازار مصرفی، محصولات کنترل‌شده با فلویدیک در حال افزایش هستند و در وسایلی مانند تفنگ‌های آب‌بازی، دوش‌ها و جت‌های وان داغ نصب می‌شوند؛ همه این محصولات جریان‌های هوا یا آب پالس‌دار یا نوسانی ایجاد می‌کنند. همچنین تحقیقاتی در زمینه پارچه‌های دارای منطق فلویدیک برای کاربردهای فناوری پوشیدنی انجام شده است.[۱۱]

منطق فلویدیک می‌تواند برای ساخت شیرهای بدون قطعات متحرک استفاده شود، مانند برخی دستگاه‌های بیهوشی.[۱۲]

نوسان‌سازهای فلویدیک در طراحی ونتیلاتورهای اضطراری چاپ سه‌بعدی و فعال‌شده با فشار برای دوران همه‌گیری COVID-19 به کار رفته‌اند.[۱۳][۱۴][۱۵]

تقویت‌کننده‌های فلویدیک برای تولید اولتراسوند جهت آزمایش غیرمخرب استفاده می‌شوند، که جریان هوای فشرده را سریع بین خروجی‌ها جابجا می‌کنند.[۱۶]

سیستم تقویت صوت فلویدیک در یک کنیسه به نمایش گذاشته شده است، جایی که به دلایل مذهبی نمی‌توان از تقویت‌کننده الکترونیکی استفاده کرد.[۱۷][۱۸]

تزریق فلویدیک در هواپیماها برای کنترل جهت مورد تحقیق است، که به دو روش انجام می‌شود: کنترل گردش (circulation control) و جهت‌دهی رانش (thrust vectoring). در هر دو روش، قطعات مکانیکی بزرگ و پیچیده با سیستم‌های فلویدیک جایگزین می‌شوند که نیروهای بزرگ سیال توسط جت‌ها یا جریان‌های کوچک سیال به صورت متناوب منحرف می‌شوند تا جهت وسیله نقلیه تغییر کند. در کنترل گردش، نزدیک لبه‌های عقبی بال‌ها، سیستم‌های کنترل پرواز مانند ایلرون‌ها، بالابرها، فلاپ‌ها و فلپ‌آرون‌ها با شکاف‌ها یا سوراخ‌هایی جایگزین می‌شوند که جریان سیال تولید می‌کنند.[۱۹][۲۰][۲۱]در جهت‌دهی رانش، قطعات چرخان نازل موتور جت با بازشوهایی جایگزین می‌شوند که جریان سیال را به جت‌ها تزریق می‌کنند.[۲۲] این سیستم‌ها از طریق اثرات سیال، رانش را منحرف می‌کنند و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که هوای تزریق‌شده در جریان خروجی موتور می‌تواند رانش را تا ۱۵ درجه منحرف کند.[۲۳]در چنین کاربردهایی، فلویدیک مزایایی مانند کاهش وزن، کاهش هزینه (تا ۵۰٪)، کاهش مقاومت هوا (تا ۱۵٪)، کاهش اینرسی برای پاسخ سریع‌تر و قوی‌تر، ساده‌تر بودن مکانیکی، نیاز کمتر به نگهداری و کاهش سطح راداری برای استتار دارد.[۲۴][۲۵] انتظار می‌رود این فناوری در بسیاری از پهپادها، جنگنده‌های نسل ششم و کشتی‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

تا سال ۲۰۲۳، حداقل دو کشور در حال تحقیق بر روی کنترل فلویدیک هواپیماها هستند:در بریتانیا، شرکت BAE Systems دو هواپیمای بدون سرنشین کنترل‌شده با فلویدیک آزمایش کرده است: یکی در سال ۲۰۱۰ به نام Demon[۲۶][۲۷] و دیگری در سال ۲۰۱۷ به نام MAGMA با همکاری دانشگاه منچستر.[۲۸]در ایالات متحده، برنامه DARPA به نام Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE) در حال طراحی و آزمایش یک X-plane جدید است که کنترل جریان فعال (AFC) را به عنوان معیار اصلی طراحی دارد. این هواپیما در سال ۲۰۲۳ رسماً با نام X-65[۲۹][۳۰] شناخته شد و ساخت آن در زمستان ۲۰۲۴ در شرکت زیرمجموعهٔ بوئینگ، Aurora Flight Sciences آغاز شد.[۳۱]پرواز آزمایشی در تابستان ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی شده است.[۳۱]

همچنین ربات نرم Octobot که در سال ۲۰۱۶ به عنوان یک نمونهٔ مفهومی توسعه یافته و شامل مدار منطقی میکروفلویدیک است، توسط محققان مؤسسه Wyss دانشگاه هاروارد ساخته شد.[۳۲]

منابع

  1. ↑ Nguyen, Quynh M.; Abouezzi, Joanna; Ristroph, Leif (2021-05-17). "Early turbulence and pulsatile flows enhance diodicity of Tesla's macrofluidic valve". Nature Communications (in English). 12 (1). doi:10.1038/s41467-021-23009-y. ISSN 2041-1723.
  2. ↑ Lindemann، Robert W.؛ Traylor، John C.؛ Tussing، Bert B.؛ Kievit، James O. (۲۰۰۳). «Rebalancing the Force: Weighing the Roles of the Components». PsycEXTRA Dataset. دریافت‌شده در ۲۰۲۵-۱۲-۰۷.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  3. ↑ Gottron, R.; Kumar, V.; Corrado, A. (1975-08). "Fluidic Applications in North America". IFAC Proceedings Volumes (in English). 8 (1): 531–538. doi:10.1016/S1474-6670(17)67511-6. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  4. ↑ "People". IEEE Spectrum. 12 (4): 108–109. 1975-04. doi:10.1109/MSPEC.1975.6368799. ISSN 0018-9235. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  5. ↑ Taylor, D. V. (1961-01). "Department of Oral Pathology". Journal of the Royal Army Medical Corps. 107 (1): 22–22. doi:10.1136/jramc-107-01-08. ISSN 0035-8665. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  6. ↑ Blikstein, Paulo (2014-08-07). "Analyzing Engineering Design through the Lens of Computation". Journal of Learning Analytics. 1 (2): 151–186. doi:10.18608/jla.2014.12.8. ISSN 1929-7750.
  7. ↑ Prakash, Manu; Gershenfeld, Neil (2007-02-09). "Microfluidic Bubble Logic". Science. 315 (5813): 832–835. doi:10.1126/science.1136907. ISSN 0036-8075.
  8. ↑ Tesař, Václav (2019-08-09). "Time-Delay Circuits for Fluidic Oscillators and Pulse Shapers". Energies (in English). 12 (16): 3071. doi:10.3390/en12163071. ISSN 1996-1073.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده)
  9. ↑ Stong, C. L. (1962-08). "The Amateur Scientist". Scientific American. 207 (2): 128–140. doi:10.1038/scientificamerican0862-128. ISSN 0036-8733. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  10. ↑ Gluskin, R. S.; Jacoby, M.; Reader, T. D. (1964). "FLODAC". Proceedings of the October 27-29, 1964, fall joint computer conference, part I on XX - AFIPS '64 (Fall, part I). New York, New York, USA: ACM Press: 631. doi:10.1145/1464052.1464112.
  11. ↑ Rajappan, Anoop; Jumet, Barclay; Shveda, Rachel A.; Decker, Colter J.; Liu, Zhen; Yap, Te Faye; Sanchez, Vanessa; Preston, Daniel J. (2022-08-30). "Logic-enabled textiles". Proceedings of the National Academy of Sciences (in English). 119 (35). doi:10.1073/pnas.2202118119. ISSN 0027-8424.
  12. ↑ Meyer, James A.; Joyce, James W. (1968-11). "The Fluid Amplifier and its Application in Medical Devices:". Anesthesia & Analgesia (in English). 47 (6): 710???716. doi:10.1213/00000539-196811000-00015. ISSN 0003-2999. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  13. ↑ Faryami، Ahmad؛ Harris، Carolyn A (۲۰۲۰-۰۵-۲۲). «Open source 3D printed Ventilation Device». doi.org. دریافت‌شده در ۲۰۲۵-۱۲-۰۷.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  14. ↑ E, Girsh; Lev Tov E, Makovski; N, Umansky (2016). "Empty Follicle Syndrome-Oocyte Could be Retrieved in Consecutive Cycle". Journal of Fertilization: In Vitro - IVF-Worldwide, Reproductive Medicine, Genetics & Stem Cell Biology. 04 (04). doi:10.4172/2375-4508.1000193. ISSN 2375-4508.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده)
  15. ↑ "Termine". VPT Magazin. 06 (09): 04–04. 2020-11. doi:10.1055/s-0040-1721630. ISSN 2364-2904. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  16. ↑ Bühling, Benjamin; Strangfeld, Christoph; Maack, Stefan; Schweitzer, Thorge (2021-04-01). "Experimental analysis of the acoustic field of an ultrasonic pulse induced by a fluidic switch". The Journal of the Acoustical Society of America (in English). 149 (4): 2150–2158. doi:10.1121/10.0003937. ISSN 0001-4966.
  17. ↑ Drzewiecki, Tadeusz M.; Poindexter, Joseph C. (1996-10-01). "Acousto-fluidic sound augmentation for Orthodox Jewish worship spaces". The Journal of the Acoustical Society of America. 100 (4_Supplement): 2608–2608. doi:10.1121/1.417639. ISSN 0001-4966.
  18. ↑ Cogill, Sinnead Anne; Lee, Jae-Hyeok; Jeon, Min-Tae; Kim, Do-Geun; Chang, Yongmin (2024-05-07). "Hopping the Hurdle: Strategies to Enhance the Molecular Delivery to the Brain through the Blood–Brain Barrier". Cells. 13 (10): 789. doi:10.3390/cells13100789. ISSN 2073-4409.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده)
  19. ↑ John, P (2010-04-01). "The flapless air vehicle integrated industrial research (FLAVIIR) programme in aeronautical engineering". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering (in English). 224 (4): 355–363. doi:10.1243/09544100JAERO580. ISSN 0954-4100.
  20. ↑ "Lightest flight". Physics World. 23 (07): 3–3. 2010-07. doi:10.1088/2058-7058/23/07/4. ISSN 0953-8585. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  21. ↑ "Brittain, William James, (22 July 1905–12 July 1977), Chairman: Brittain Publishing Co. (London) Ltd; Brittain Publishing Co. (Canada) Ltd; London and Local Newspapers Ltd; Brittain Newspapers Ltd; Latin-American Trade Ltd; World Trade Publishing Co. Ltd; Indicator Newspapers Ltd; West London Chronicle Ltd; Practical Banking Ltd". Who Was Who. Oxford University Press. 2007-12-01.
  22. ↑ Yagle, P. J.; Miller, D. N.; Ginn, K. B.; Hamstra, J. W. (2001-07-01). "Demonstration of Fluidic Throat Skewing for Thrust Vectoring in Structurally Fixed Nozzles". Journal of Engineering for Gas Turbines and Power (in English). 123 (3): 502–507. doi:10.1115/1.1361109. ISSN 0742-4795.
  23. ↑ Yagle, P. J.; Miller, D. N.; Ginn, K. B.; Hamstra, J. W. (2001-07-01). "Demonstration of Fluidic Throat Skewing for Thrust Vectoring in Structurally Fixed Nozzles". Journal of Engineering for Gas Turbines and Power (in English). 123 (3): 502–507. doi:10.1115/1.1361109. ISSN 0742-4795.
  24. ↑ Harningrum, ollanda Lakshinta (2022-03-26). "Optimization of the Universal People's Defense and Security System through Economic Resilience". International Journal of Social Science And Human Research. 05 (03). doi:10.47191/ijsshr/v5-i3-46. ISSN 2644-0679.
  25. ↑ "North Atlantic Treaty Organization (NATO)". Encyclopedia of United States National Security. 2455 Teller Road, Thousand Oaks California 91320 United States: SAGE Publications, Inc. 2005. ISBN 978-0-7619-2927-7.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:مکان (رده)
  26. ↑ "Solar plane prototype flies first test flight". Physics Today. 2010 (04). 2010-04-07. doi:10.1063/pt.5.024226. ISSN 1945-0699.
  27. ↑ Center for Public Interest & Human Rights Law Chonnam National University. 22. 2019-02-28. doi:10.38135/hrlr.2019.22.. ISSN 1976-6238 https://doi.org/10.38135/hrlr.2019.22. {{cite journal}}: مقدار |doi= را بررسی کنید (کمک); پارامتر |عنوان= یا |title= ناموجود یا خالی (کمک)
  28. ↑ Hu, Xiaodong; Huang, Xuexiang (2017-10). "Orthogonal design and optimization of flight stability test for the quadrotor unmanned aerial vehicle". 2017 IEEE International Conference on Unmanned Systems (ICUS). IEEE: 343–346. doi:10.1109/icus.2017.8278366. {{cite journal}}: تاریخ وارد شده در |date= را بررسی کنید (کمک)
  29. ↑ Thompson, Natalie S.; Anwar, Aliya Fathima; Krum, David; Ream, Michael; Shouse, Eva; Weston, Zachary; Chen, Yun-Ru; Sam, Aisa; Deguchi, Michihito (2024-12-27). "Transgenic tomato strategies targeting whitefly eggs from apoplastic or ovary-directed proteins". BMC Plant Biology. 24 (1). doi:10.1186/s12870-024-05852-5. ISSN 1471-2229.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده)
  30. ↑ HELETKA, Marharyta; LEVIN, Yevhen (2023). "THE ONTOLOGY OF METAPHORS IN AEROSPACE TECHNOLOGY DISCOURSE (CASE STUDY: AVIATION WEEK AND SPACE TECHNOLOGY JOURNAL)". Humanities science current issues. 1 (59): 158–165. doi:10.24919/2308-4863/59-1-24. ISSN 2308-4855.
  31. 1 2 Shaw, Leonard; Smith, Brian; Saddoughi, Seyed (2006-06-05). "Full-Scale Flight Demonstration of Active Control of a Pod Wake". 3rd AIAA Flow Control Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi:10.2514/6.2006-3185.
  32. ↑ "Surgical robot performs first autonomous procedure". Physics Today. 2016 (05). 2016-05-05. doi:10.1063/pt.5.029800. ISSN 1945-0699.
This page is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.