Fluídica

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Un módulo con dos flujos de entrada en la parte superior, un depósito de salida AND en el medio y un flujo de salida XOR en la parte inferior.

La 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 fluidodinámica. El término fluídico 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[editar]

En 1920, Nikola Tesla patentó un conducto valvular o válvula de 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.[1]​ 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 de fluidos cuando se dio cuenta de que podía redirigir la dirección de los gases de combustión utilizando un pequeño fuelle.[2]​ 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.[3]​ 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.[4]​[5]​ A Horton se le atribuye el desarrollo del primer dispositivo de control de amplificador de fluidos y el lanzamiento del campo de la fluídica.[6]​ 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.[7]​

Elementos lógicos[editar]

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) consiste en "A" que desvía un flujo de suministro para producir Â. 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.[8]​

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.[9]​

Componentes[editar]

Un vídeo que simula el flujo interno de un oscilador de retroalimentación fluídica.

Amplificadores[editar]

Amplificador de fluidos, que muestra el flujo en ambos estados, de Patente USPTO n.º 4000757 .

En un amplificador fluídico, un suministro de fluido, que puede ser aire, agua o fluido oleohidráulico, 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 o O2. 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 lógicos fluídicos, así como osciladores fluídicos que se pueden utilizar de forma análoga a los biestables.[10]​ 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[editar]

Se ha inventado el triodo fluídico, un dispositivo de amplificación que utiliza un fluido para transmitir la señal eléctrica, al igual que los diodos fluidos, un oscilador fluido y una variedad de "circuitos" hidráulicos, incluido uno que no tiene contraparte electrónica.[11]​

Usos[editar]

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 se construyó en 1964 como una prueba de concepto de computadora digital basada en fluidos.[12]​

Los componentes fluídicos aparecen en algunos sistemas hidráulicos y neumáticos, incluidas algunas transmisiones automáticas de automóviles. A medida que la lógica digital electrónica 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 tanto en popularidad como en 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 vestible.[13]​

La lógica de fluidos se puede utilizar para crear una válvula sin partes móviles, como en algunas máquinas de anestesia.[14]​

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.[15]​[16]​[17]​

Los amplificadores de fluidos se utilizan para generar ultrasonido para pruebas no destructivas al cambiar rápidamente el aire presurizado de una salida a otra.[18]​

Se está investigando la inyección de fluidos para su uso en aeronaves para controlar la dirección, de dos formas: control de circulación y vectorización de empuje. En ambos, las piezas mecánicas más grandes y complejas se reemplazan por sistemas fluídicos, en los que las fuerzas más grandes en los fluidos se desvían mediante chorros o flujos de fluido más pequeños de manera intermitente, para cambiar la dirección de los vehículos. En el control de circulación, cerca de los bordes de salida de las alas, los AFCS, como alerones, timones de profundidad, elevones, flaps y flaperones, se reemplazan por aberturas, generalmente filas de agujeros o ranuras alargadas, que emiten flujos de fluido.[19]​[20]​[21]​ En el empuje vectorial, en las toberas de los motores de reacción, las piezas giratorias se sustituyen por aberturas que inyectan flujos de fluido en los chorros.[22]​ Estos sistemas desvían el empuje mediante efectos de fluidos. Las pruebas muestran que el aire introducido en la corriente de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados.[22]​ En tales usos, los fluidos son deseables para reducir: masa, costo (hasta un 50% menos), resistencia (hasta un 15% menos durante el uso), inercia (para una respuesta de control más rápida y fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos o ningún partes o superficies móviles, menos mantenimiento) y sección radar equivalente para sigilo.[23]​[24]​ Es probable que esto se utilice en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV), aviones de caza de sexta generación y barcos.

En 2023, se sabe que al menos dos países estarán 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.[25]​[26]​ [27]​ 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 "... diseñar, construir y probar en vuelo un novedoso avión X que incorpore control de flujo activo (AFC) como consideración principal de diseño... En 2023, el avión recibió su designación oficial como X-65.[28]​[29]​ En el invierno de 2024, comenzó la construcción en la filial de Boeing, Aurora Flight Sciences.[30]​ En el verano de 2025 comenzarán las pruebas de vuelo.[30]​

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 Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard.[31]​

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ Nguyen, Quynh; Abouezzi, Joanna; Ristroph, Leif (17 de mayo de 2021). «Early turbulence and pulsatile flows enhance diodicity of Tesla's macrofluidic valve». Nature Communications 12 (12): 2884. Bibcode:2021NatCo..12.2884N. PMC 8128925. PMID 34001882. arXiv:2103.17222. doi:10.1038/s41467-021-23009-y. 
  2. ↑ McKetta, John (21 de noviembre de 1985). Encyclopedia of Chemical Processing and Design: Volume 23 – Fluid Flow. CRC Press. p. 28. ISBN 9780824724733. 
  3. ↑ Bradbury, Wilbur (19 de mayo de 1967). «Overdue Idea Put on a Scratch Pad». En Luce, Henry, ed. 19 de mayo de 1967 (Time): 115-116.  |magazine= y |publicación= redundantes (ayuda)
  4. ↑ Fluidics: Basic Components and Applications. Maryland. August 1983. p. Defense Technical Information Center. Archivado desde el original el 11 December 2021. Consultado el 10 de julio de 2018. 
  5. ↑ «Fluidic Applications in North America». IFAC Proceedings Volumes 8 (1): 531-538. August 1975. doi:10.1016/S1474-6670(17)67511-6. 
  6. ↑ «People». IEEE Spectrum 12 (4): 108-109. April 1975. doi:10.1109/MSPEC.1975.6368799. 
  7. ↑ «CRD Announces Winners of 22 R&D Achievement Awards». Army R&D Magazine 2 (8). August 1961. Consultado el 10 de julio de 2018. 
  8. ↑ Blikstein, Paulo. «Programmable Water: Computation is not just about electronics». Blikstein Consultoria. Stanford University. Consultado el 23 de junio de 2019. 
  9. ↑ Prakash, Manu (8 de febrero de 2007). «Manu Prakash: Research: Bubble Logic». Massachusetts Institute of Technology (MIT). Archivado desde el original el 26 de enero de 2012. Consultado el 23 de junio de 2019. 
  10. ↑ Tesař, Václav (9 de agosto de 2019). «Time-Delay Circuits for Fluidic Oscillators and Pulse Shapers». Energies (en inglés) 12 (16): 3071. ISSN 1996-1073. doi:10.3390/en12163071. 
  11. ↑ Stong C. L. (August 1962). «The Amateur Scientist. How streams of water can be used to create analogues of electronic tubes and circuits». Scientific American: 128–138. Consultado el 28 de abril de 2020. 
  12. ↑ «Proceedings – Fall Joint Computer Conference». 1964. pp. 631-641. 
  13. ↑ Rajappan, Anoop; Jumet, Barclay; Shveda, Rachel A.; Decker, Colter J.; Liu, Zhen; Yap, Te Faye; Sanchez, Vanessa; Preston, Daniel J. (30 de agosto de 2022). «Logic-enabled textiles». Proceedings of the National Academy of Sciences (en inglés) 119 (35): e2202118119. Bibcode:2022PNAS..11902118R. ISSN 0027-8424. PMC 9436326. PMID 35994641. doi:10.1073/pnas.2202118119. 
  14. ↑ Meyer, James A.; Joyce, James W. (1968). «The Fluid Amplifier and its Application in Medical Devices». Anesthesia & Analgesia 47 (6): 710-716. PMID 5247311. doi:10.1213/00000539-196811000-00015. 
  15. ↑ «3D-printed open source ventilator for medical purposes». Consultado el 28 de abril de 2020. 
  16. ↑ «Worldwide Ventilator». Consultado el 28 de abril de 2020. 
  17. ↑ «Volunteers develop 3D printable ventilator based on 1965 usarmy design». 9 April 2020. Consultado el 28 de abril de 2020. 
  18. ↑ Bühling, Benjamin; Strangfeld, Christoph; Maack, Stefan; Schweitzer, Thorge (1 de abril de 2021). «Experimental analysis of the acoustic field of an ultrasonic pulse induced by a fluidic switch». The Journal of the Acoustical Society of America 149 (4): 2150-2158. Bibcode:2021ASAJ..149.2150B. ISSN 0001-4966. PMID 33940860. doi:10.1121/10.0003937. 
  19. ↑ «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 (London: Mechanical Engineering Publications) 224 (4): 355-363. 2010. ISSN 0954-4100. doi:10.1243/09544100JAERO580. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2018. 
  20. ↑ «Showcase UAV Demonstrates Flapless Flight». BAE Systems. 2010. Archivado desde el original el 7 de julio de 2011. Consultado el 22 de diciembre de 2010. 
  21. ↑ «Demon UAV jets into history by flying without flaps». Metro.co.uk (London: Associated Newspapers Limited). 28 de septiembre de 2010. 
  22. ↑ a b «Demonstration of Fluidic Throat Skewing for Thrust Vectoring in Structurally Fixed Nozzles». Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 123 (3): 502-508. 2001. doi:10.1115/1.1361109. 
  23. ↑ Uppal, Rahesh (3 March 2022). «Active Flow Control for Stealth Aircraft and Drones». International Defense, Security & Technology (IDST). Consultado el 30 de mayo de 2023. 
  24. ↑ https://m.youtube.com/watch?v=ruSQa1PvC3E.  Falta el |título= (ayuda)
  25. ↑ Christopher, Dombrowski (5 de octubre de 2010). «New test plane flies without control surfaces». Ars Technica. Wired Media Group. Consultado el 21 de junio de 2019. 
  26. ↑ Axe, David (13 de febrero de 2019). «The F-22 and B-2 Bomber Are Old: A New Generation of Super Stealth Is Coming». The National Interest. Center for the National Interest. Consultado el 21 de junio de 2019. 
  27. ↑ «Successful first flight trial completion of unmanned aerial vehicle, MAGMA». BAE Systems. 13 de diciembre de 2017. Consultado el 21 de junio de 2019. 
  28. ↑ Wlezien, Richard. «Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE)». Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Consultado el 4 October 2023. 
  29. ↑ Trimble, Steve (16 de mayo de 2023). «DARPA Receives X-65 Designation for Active Flow Experiment». Aviation Week & Space Technology. Consultado el 4 October 2023. 
  30. ↑ a b Smith, Carmen (3 January 2024). «Aurora Begins Building Full-Scale Active Flow Control X-Plane». Aurora Flight Sciences, Boeing. Consultado el 1 February 2024. 
  31. ↑ Burrows, Leah (2016). «The first autonomous, entirely soft robot». Consultado el 12 de junio de 2019. 

Bibliografía[editar]

Enlaces externos[editar]

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