Fluidos

La fluidodinámica , o lógica fluídica , es el uso de un fluido para realizar operaciones analógicas o digitales similares a las que se realizan con la electrónica .

La base física de la fluidodinámica reside en la neumática y la hidráulica , fundamentadas a su vez en la dinámica de fluidos . El término fluidodinámica se utiliza normalmente cuando los dispositivos no tienen partes móviles , por lo que los componentes hidráulicos comunes, como los cilindros hidráulicos y las válvulas de carrete, no se consideran dispositivos fluidodinámicos.

Un chorro de fluido puede desviarse mediante un chorro más débil que lo impacta lateralmente. Esto proporciona una amplificación no lineal , similar a la del transistor utilizado en la lógica digital electrónica. Se utiliza principalmente en entornos donde la lógica digital electrónica no sería fiable, como en sistemas expuestos a altos niveles de interferencia electromagnética o radiación ionizante .

Los sistemas fluidos pueden reducirse a tamaños muy pequeños. La microfluídica , surgida en la década de 1980, trabaja habitualmente con volúmenes de fluido de ^10⁻⁹ a 10⁻¹⁸ ^litros y canales de entre diez y cientos de micrómetros . Un ejemplo de esta tecnología es el laboratorio en un chip, producido en masa . La nanotecnología incluye la fluidodinámica como una de sus herramientas. A tales escalas, efectos como las fuerzas de interfaz fluido-sólido y fluido-fluido suelen ser muy significativos.

La fluidodinámica también se ha utilizado en aplicaciones militares.

En 1920, Nikola Tesla patentó un conducto valvular o válvula de Tesla que funciona como un diodo fluídico . Era un diodo con fugas, es decir, el flujo inverso es distinto de cero para cualquier diferencia de presión aplicada. La válvula de Tesla también tenía una respuesta no lineal, ya que su diodicidad dependía de la frecuencia. Podía utilizarse 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 se convirtieron en parte del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos ) concibió 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 . ^{[ 2 ]} Propuso una teoría sobre la interacción de corrientes, afirmando que se puede lograr la amplificación desviando una corriente de fluido con otra corriente de fluido diferente. En 1959, Horton y sus asociados, el Dr. RE Bowles y Ray Warren, construyeron una familia de amplificadores de vórtice funcionales con jabón, linóleo y madera. ^{[ 3 ]} Su resultado publicado atrajo la atención de varias industrias importantes y generó un gran interés en la aplicación de la fluidodinámica (entonces llamada amplificación de fluidos) a sistemas de control sofisticados, que se mantuvo durante toda la década de 1960. ^{[ 4 ] [ 5 ]} A Horton se le atribuye el desarrollo del primer dispositivo de control de amplificación de fluidos y el lanzamiento del campo de la fluidodinámica. ^{[ 6 ]} En 1961, Horton, Warren y Bowles estuvieron entre los 27 galardonados con el primer Premio al Logro en Investigación y Desarrollo del Ejército por el desarrollo del dispositivo de control de amplificación de fluidos. ^{[ 7 ]}

Se pueden construir compuertas lógicas que utilizan agua en lugar de electricidad para alimentar la función de compuerta. Estas dependen de estar posicionadas en una orientación específica para funcionar correctamente. Una compuerta OR es simplemente la unión de dos tuberías, y una compuerta NOT (inversor) consiste en que "A" desvía un flujo de suministro para producir Ā. Las compuertas AND y XOR se muestran en el diagrama. Un inversor también podría implementarse con la compuerta XOR, como A XOR 1 = Ā. ^{[ 8 ]}

Otro tipo de lógica fluida es la lógica de burbujas . Las compuertas lógicas de burbujas conservan la cantidad de bits que entran y salen del dispositivo, ya que las burbujas no se producen ni se destruyen en la operación lógica, de forma análoga a las compuertas de las computadoras de bolas de billar . ^{[ 9 ]}

La computadora MONIAC, construida en 1949, era una computadora analógica basada en fluidos que se utilizaba para enseñar principios económicos, ya que podía recrear simulaciones complejas que las computadoras digitales no podían realizar en aquel entonces. Se construyeron entre doce y catorce unidades, que fueron adquiridas por empresas e instituciones educativas.

La computadora FLODAC fue construida en 1964 como una prueba de concepto de una computadora digital basada en fluidos . ^{[ 12 ]}

Los componentes fluidos están presentes en algunos sistemas hidráulicos y neumáticos, incluidas algunas transmisiones automáticas de automóviles . A medida que la lógica digital electrónica se ha ido consolidando en el control industrial, el papel de la fluidodinámica en este ámbito ha disminuido.

En el mercado de consumo, los productos controlados por fluidos están ganando popularidad y presencia, instalándose en artículos que van desde pistolas de juguete hasta cabezales de ducha y chorros de jacuzzi; todos ellos proporcionan flujos oscilantes o pulsantes de aire o agua. También se han investigado textiles con lógica integrada 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 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 fluidicos se utilizan para generar ultrasonido para ensayos no destructivos mediante el cambio rápido de aire presurizado de una salida a otra. ^{[ 18 ]}

Se ha demostrado un sistema de amplificación de sonido fluidico en una sinagoga, donde la amplificación de sonido electrónica convencional no puede utilizarse por razones religiosas. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Se está investigando la inyección de fluidos para su uso en aeronaves para controlar la dirección, de dos maneras: control de circulación y vectorización de empuje . En ambos casos, las piezas mecánicas más grandes y complejas se reemplazan por sistemas de fluidos, en los que las fuerzas mayores en los fluidos se desvían mediante chorros o flujos de fluido más pequeños de forma intermitente, para cambiar la dirección de los vehículos. En el control de circulación, cerca de los bordes de salida de las alas, los sistemas de control de vuelo de las aeronaves , como alerones , elevadores , elevones , flaps y flaperones, se reemplazan por aberturas, generalmente filas de agujeros o ranuras alargadas, que emiten flujos de fluido. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} En la vectorización de empuje , en las toberas de los motores a reacción , las piezas giratorias se reemplazan por aberturas que inyectan flujos de fluido en los chorros. ^{[ 24 ]} Dichos sistemas desvían el empuje mediante efectos de fluidos. Las pruebas muestran que el aire forzado en la corriente de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados. ^{[ 24 ]} En tales usos, la fluidodinámica es deseable para menor: 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 ninguna pieza o superficie móvil, menos mantenimiento) y sección transversal de radar para sigilo . ^{[ 25 ] [ 26 ]} Esto probablemente se utilizará en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV), aviones de combate de sexta generación y barcos .

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 aeronaves no tripuladas controladas por fluidos, una que comenzó en 2010 llamada Demon , ^{[ 27 ] [ 28 ]} y otra con la Universidad de Manchester que comenzó en 2017 llamada MAGMA. ^{[ 29 ]} En los Estados Unidos, el programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) llamado Control de Aeronaves Revolucionarias con Efectores Novedosos (CRANE) busca "... diseñar, construir y probar en vuelo un nuevo avión X que incorpore el control de flujo activo (AFC) como una consideración de diseño principal. ... En 2023, la aeronave recibió su designación oficial como X-65", ^{[ 30 ] [ 31 ]} o más completamente: Aurora X-65 CRANE . En invierno de 2024, comenzó la construcción, en la subsidiaria de Boeing Aurora Flight Sciences . ^{[ 32 ]} Las pruebas de vuelo debían comenzar en el verano de 2025, ^{[ 32 ]} pero se pospusieron hasta 2027. ^{[ 33 ]}

Octobot es un robot autónomo de cuerpo blando, prueba de concepto , que contiene un circuito lógico microfluídico , desarrollado por investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard en 2016. ^{[ 34 ]}

• Integrador de agua
• Bio-MEMS
• MÓNICA
• Computación no convencional

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