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流体工学、または流体論理とは、電子機器で行われるものと同様のアナログまたはデジタル演算を実行するために流体を使用する技術である。
流体工学の物理的基礎は、流体力学の理論的基盤に基づいた空気圧と油圧です。流体工学という用語は通常、可動部品のない装置に使用されるため、油圧シリンダーやスプールバルブなどの一般的な油圧部品は、流体装置とはみなされません。
流体の噴流は、側面からより弱い噴流が衝突することで偏向させることができます。これは、電子デジタル論理回路で使用されるトランジスタと同様の非線形増幅効果をもたらします。この技術は、電磁干渉や電離放射線などの高レベルの環境にさらされるシステムなど、電子デジタル論理回路が信頼性に欠ける環境で主に用いられます。
流体システムは非常に小さなサイズまで縮小できる。1980年代に登場したマイクロ流体工学は、 10⁻⁹～10⁻¹⁸リットルの流体量と、10～数百マイクロメートルのチャネルサイズを日常的に扱っている。このような技術の一例として、量産型のラボオンチップが挙げられる。ナノテクノロジーも流体工学をその構成要素の一つとして取り入れている。このようなサイズでは、流体と固体、流体同士の界面力などの影響が通常非常に大きくなる。
流体工学は軍事用途にも利用されている。
1920年、ニコラ・テスラは流体ダイオードとして機能する弁状の導管、テスラ弁の特許を取得しました。これは漏れのあるダイオードであり、つまり、印加された圧力差に対して逆流はゼロではありません。テスラの弁は、ダイオード性が周波数に依存するため、非線形応答も持っていました。これは、交流を直流に変換する全波整流器などの流体回路で使用できました。[ 1 ] 1957年、ハリー・ダイアモンド研究所（後に米国陸軍研究所の一部となった）のビリー・M・ホートンは、小さなふいごを使って排ガスの方向を変えることができることに気付いたとき、流体増幅器のアイデアを初めて思いつきました。[ 2 ]彼は流れの相互作用に関する理論を提案し、異なる流体の流れで流体の流れを偏向させることで増幅を達成できると述べました。 1959年、ホートンと彼の同僚であるREボウルズ博士とレイ・ウォーレンは、石鹸、リノリウム、木材から一連の動作する渦増幅器を製作した。[ 3 ]彼らの発表した成果は、いくつかの主要産業の注目を集め、流体工学（当時は流体増幅と呼ばれていた）を高度な制御システムに応用することへの関心の高まりを生み出し、それは1960年代を通して続いた。[ 4 ] [ 5 ]ホートンは、最初の流体増幅器制御装置を開発し、流体工学の分野を立ち上げた功績があるとされている。[ 6 ] 1961年、ホートン、ウォーレン、ボウルズは、流体増幅器制御装置の開発により、最初の陸軍研究開発功績賞を受賞した27名の中に含まれていた。[ 7 ]
論理ゲートは、ゲート機能の動力源として電気の代わりに水を使用するように構築できます。これらは正しく動作するために、特定の向きに配置する必要があります。ORゲートは単に2本のパイプを合流させたもので、NOTゲート（インバータ）は「A」が供給ストリームを偏向させてĀを生成するものです。ANDゲートとXORゲートは図に示されています。インバータはXORゲートでも実装でき、A XOR 1 = Āとなります。[ 8 ]
もう一つの流体論理はバブル論理である。バブル論理ゲートは、論理演算においてバブルが生成も消滅もされないため、デバイスに出入りするビット数を保存する。これはビリヤードボールのコンピュータゲートに似ている。[ 9 ]
流体増幅器では、空気、水、または作動油などの流体供給が底部から流入します。制御ポート C 1または C 2に加えられた圧力によって流れが偏向され、ポート O 1または O 2のいずれかから流出します。制御ポートに流入する流れは、偏向される流れよりもはるかに弱い場合があるため、このデバイスはゲインを持ちます。
この基本デバイスは、他の流体論理素子や、フリップフロップと同様の方法で使用できる流体発振器を構築するために使用できます。[ 10 ]これにより、単純なデジタル論理システムを構築できます。
流体増幅器の帯域幅は通常、数キロヘルツ程度であるため、それらを用いて構築されたシステムは、電子機器に比べて非常に低速である。
流体を用いて信号を伝達する増幅装置である流体三極管が発明されたほか、流体ダイオード、流体発振器、および電子回路に対応するものがないものを含むさまざまな油圧「回路」も発明されている。[ 11 ]
1949年に開発されたMONIACコンピュータは、流体ベースのアナログコンピュータであり、当時のデジタルコンピュータでは再現できなかった複雑なシミュレーションが可能であったため、経済学の原理を教えるために用いられた。12台から14台が製造され、企業や教育機関によって購入された。
FLODACコンピュータは、流体ベースのデジタルコンピュータの概念実証として1964年に構築されました。[ 12 ]
流体部品は、一部の油圧システムや空気圧システム、さらには一部の自動車用自動変速機にも用いられています。しかし、産業制御において電子デジタルロジックが広く普及するにつれ、産業制御における流体部品の役割は低下してきました。
消費者市場では、流体制御製品の人気と普及が高まっており、おもちゃのスプレーガンからシャワーヘッド、温水浴槽のジェットまで、さまざまなアイテムに搭載されています。これらはすべて、空気や水の振動または脈動する流れを提供します。ウェアラブルテクノロジーへの応用を目的としたロジック対応テキスタイルも研究されています。[ 13 ]
流体ロジックは、麻酔器など可動部品のないバルブを作成するために使用できます。[ 14 ]
流体発振器は、 COVID-19パンデミック用の圧力トリガー式3Dプリント可能な緊急用人工呼吸器の設計に使用されました。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
流体増幅器は、加圧空気を一方の出口からもう一方の出口に素早く切り替えることで、非破壊検査用の超音波を生成するために使用されます。[ 18 ]
宗教上の理由から通常の電子音響増幅装置を使用できないシナゴーグで、流体音響増幅システムが実証された。[ 19 ] [ 20 ]
流体噴射は、航空機の方向制御に利用するために、循環制御と推力偏向の 2 つの方法で研究されています。どちらの場合も、より大きく複雑な機械部品が流体システムに置き換えられ、流体中の大きな力が、より小さなジェットまたは流体の流れによって断続的に偏向され、機体の方向が変わります。循環制御では、翼の後縁付近で、エルロン、エレベーター、エレボン、フラップ、フラッペロンなどの航空機の飛行制御システムが、通常は列状の穴または細長いスロットである開口部に置き換えられ、そこから流体が噴射されます。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]推力偏向では、ジェットエンジンのノズルで、旋回部品がジェットに流体を噴射する開口部に置き換えられます。[ 24 ]このようなシステムは、流体効果によって推力を偏向させます。テストでは、ジェットエンジンの排気流に強制的に空気を送り込むと、推力を最大 15 度偏向させることができることが示されています。[ 24 ]このような用途では、流体制御は、質量、コスト（最大 50% 削減）、抗力（使用時に最大 15% 削減）、慣性（より速く、より強力な制御応答のため）、複雑さ（機械的に単純で、可動部品や表面が少なく、またはまったくなく、メンテナンスが少ない）、ステルスのためのレーダー断面積の低減に望ましい。[ 25 ] [ 26 ]これは、多くの無人航空機（UAV）、第 6 世代戦闘機、および船舶で使用される可能性が高い。
2023年現在少なくとも 2 か国が流体制御の研究を行っていることが知られています。英国では、BAE Systems が流体制御の無人航空機を 2 機テストしており、1 機は 2010 年にDemonと名付けられ、[ 27 ] [ 28 ]もう 1 機は2017 年にマンチェスター大学と共同で MAGMA と名付けられています。 [ 29 ]米国では、国防高等研究計画局( DARPA ) のControl of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE) プログラムが、「アクティブフロー制御 (AFC) を主要な設計上の考慮事項として組み込んだ新しい X プレーンを設計、製造、飛行テストすること」を目指しています。2023 年に、この航空機は X-65 と正式に命名され、[ 30 ] [ 31 ]より正式にはAurora X-65 CRANEとなります。2024 年冬に、ボーイングの子会社であるAurora Flight Sciencesで製造が開始されました。[ 32 ]飛行試験は2025年の夏に開始される予定だったが、[ 32 ] 2027年に延期された。[ 33 ]
Octobotは、マイクロ流体論理回路を搭載したソフトボディの自律型ロボットの概念実証 であり、 2016年にハーバード大学のWyss Institute for Biologically Inspired Engineeringの研究者によって開発されました。[ 34 ]