流体工学

流体工学、または流体ロジックとは、電子機器で実行されるものと同様のアナログまたはデジタル操作を流体を使用して実行することです。

流体工学の物理的基礎は、流体力学の理論的基礎に基づく空気圧と油圧です。流体工学という用語は通常、デバイスに可動部品がない場合に使用されるため、油圧シリンダーやスプールバルブなどの通常の油圧コンポーネントは流体デバイスとは見なされず、流体デバイスとも呼ばれません。

流体のジェットは、側面に当たる弱いジェットによって偏向されることがあります。これにより、電子デジタル ロジックで使用されるトランジスタに似た非線形 増幅が実現されます。これは主に、高レベルの電磁干渉や電離放射線にさらされるシステムなど、電子デジタル ロジックが信頼できない環境で使用されます。

ナノテクノロジーでは、流体工学をその手段の 1 つと見なしています。この領域では、流体と固体、流体と流体の界面力などの効果が非常に重要です。流体工学は軍事用途にも使用されています。

1920年、ニコラ・テスラは流体ダイオードとして機能するバルブ導管、すなわちテスラバルブの特許を取得した。これはリークダイオードであり、つまり、加えられた圧力差に対して逆流がゼロではないものであった。また、テスラのバルブはダイオード性が周波数に依存するため、非線形応答を示した。これは全波整流器などの流体回路で使用して、交流を直流に変換することができる。^[1] 1957年、ハリー・ダイアモンド研究所（後に陸軍研究所の一部となった）のビリー・M・ホートンが、小さなベローズを使用して排気ガスの方向を変更できることに気づき、初めて流体増幅器のアイデアを思いついた。^[2]彼は、流体の流れを別の流体の流れで偏向させることで増幅を達成できるという、流れの相互作用に関する理論を提唱した。 1959年、ホートンと彼の同僚であるR.E.ボウルズ博士とレイ・ウォーレンは、石鹸、リノリウム、木材から一連の実用的な渦増幅器を製作しました。^[3]彼らが発表した結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ました）を高度な制御システムに適用することへの関心が高まり、1960年代を通じて続きました。^{[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ことで知られています。^[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人の受賞者の1人でした。^[7]

論理ゲートは、電気の代わりに水を使ってゲート機能に電力を供給するように構築できます。これらは、正しく機能するためには、1 つの方向に配置されている必要があります。OR ゲートは、単に 2 つのパイプを結合したもので、NOT ゲート (インバータ) は、供給ストリームを偏向させて Ā を生成する "A" で構成されます。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、A XOR 1 = Ā のように、XOR ゲートで実装することもできます。^[8]

もう一つの流体ロジックはバブルロジックです。バブルロジックゲートは、ビリヤードボールのコンピュータゲートと同様に、ロジック操作中にバブルが生成されたり破壊されたりしないため、デバイスに出入りするビット数を節約します。^[9]

流体増幅器では、流体供給源（空気、水、または油圧流体）が底部から入ります。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し、ポート O ₁または O _{2から排出されます。制御ポートに入る流れは偏向される流れよりもはるかに弱いため、デバイスには}ゲインがあります。

この基本的なデバイスは、他の流体論理素子や、フリップフロップと同様に使用できる流体発振器の構築にも使用できます。^[10]このようにして、シンプルなデジタルロジックシステムを構築できます。

流体増幅器の帯域幅は通常、キロヘルツ未満の範囲にあるため、流体増幅器から構築されたシステムは電子デバイスに比べてかなり低速になります。

流体三極管（流体を使って信号を伝達する増幅装置）が発明されたほか、流体ダイオード、流体発振器、さまざまな油圧「回路」（電子回路がない回路も含む）も発明された。^[11]

1949 年に製造されたMONIAC コンピュータは、当時のデジタル コンピュータでは不可能だった複雑なシミュレーションを再現できるため、経済原理の教育に使用された流体ベースのアナログ コンピュータでした。12 台から 14 台が製造され、企業や教育機関に導入されました。

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、自動車のオートマチックトランスミッションなど、一部の油圧システムや空気圧システムに使用されています。電子デジタルロジックが産業用制御で広く受け入れられるようになったため、産業用制御における流体部品の役割は低下しています。

消費者市場では、流体制御製品の人気と存在感が高まっており、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に至るまで、さまざまな製品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流を提供します。ウェアラブル技術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、一部の麻酔器のような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]

流体振動子は、 COVID-19パンデミック用の圧力作動式3Dプリント緊急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、加圧空気をある出口から別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]

宗教上の理由により通常の電子音響増幅が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ました。^{[19] [20]}

流体噴射は、航空機の方向制御に循環制御と推力偏向の2つの方法で使用するために研究されています。 どちらも、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、流体の大きな力が小さなジェットまたは流体の流れによって断続的に逸らされ、車両の方向が変更されます。 循環制御では、翼の後縁近くで、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、流体の流れを放出する開口部、通常は穴の列、または細長いスロットに置き換えられます。^{[21] [22] [23]}推力偏向では、ジェットエンジンのノズルの回転部分が、流体の流れをジェットに注入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逸らします。テストでは、ジェットエンジンの排気流に押し込まれた空気が推力を最大15度逸らすことができることが示されている。^[24]このような用途では、流体工学は質量、コスト（最大50％削減）、抗力（使用中に最大15％削減）、慣性（より速く、より強力な制御応答）、複雑さ（機械的に単純、可動部品や表面が少ないか全くない、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などの点で望ましい。^{[25] [26]これは、多くの}無人航空機（UAV）、第6世代戦闘機、船舶に使用される可能性が高い。

2023年現在^{[アップデート]}、少なくとも2か国が流体制御を研究していることがわかっている。英国では、BAEシステムズが2機の流体制御無人航空機の試験を実施しており、1機は2010年に開始した「デーモン」^{[27 ] [28] 、もう1機は}マンチェスター大学と共同で2017年に開始した「MAGMA」である。^[29]米国では、国防高等研究計画局（DARPA）の「革新的な航空機による新エフェクターの制御（CRANE）」プログラムが「アクティブフローコントロール（AFC）を主な設計考慮事項として組み込んだ新しいXプレーンの設計、構築、飛行試験を行うことを目指している。...2023年に、この航空機はX-65として正式に指定される」^{[30] [31]} 2024年冬、ボーイングの子会社であるオーロラフライトサイエンシズで建造が開始された。^[32] 2025年夏には飛行試験が開始される予定である。^[32]

2016年の概念実証である マイクロ流体論理回路を搭載した軟体 自律ロボット「オクトボット」は、ハーバード大学ヴィース生物学インスパイアードエンジニアリング研究所の研究者によって開発された。^[33]

• 水インテグレーター
• マイクロ流体
• バイオMEMS
• ラボオンチップ
• モニアック
• 従来とは異なるコンピューティング

• ベルスターリング、チャールズ A. (1971)。流体システム設計。ワイリー。
• ラル、ジャグディッシュ (1963)。 「油圧」。メトロポリタン本。ASIN  B0007IWSX2。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• O. ルーウッド (1964 年 6 月)。「純粋流体デバイス」。マシン デザイン: 154–180。
• Tarumoto, EF; Humphrey, DH (1965). 「流体工学」 Fluid Amplifier Associates, Inc. ASIN  B000HBV114. {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• Bowles, RE; Dexter, EM (1965 年 10 月)。「第 2 世代の流体システム アプリケーション」。流体増幅シンポジウム: 213。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• フィッチ・ジュニア、アーネスト・C. (1966)。『流体論理』オクラホマ州立大学。
• Brown, Forbes T. (1967)。流体工学の進歩。アメリカ機械学会。ASIN B000I3ZC7K  。
• フォスター、ケネス (1970)。流体工学：コンポーネントと回路。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 9780471267706。
• Lal, Jagdish (1975)。「油圧機械」。メトロポリタンブック。ASIN B000HBV114  。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
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• 米国特許 3,417,770
• 米国特許 3,495,253
• 米国特許 3,503,410
• 米国特許 3,612,085
• 米国特許 4,854,176
• FLODAC – 純粋な流体デジタルコンピュータ:米国特許 3,190,554
• スタンレー・W・アングリスト：流体制御装置。サイエンティフィック・アメリカン、1964年12月、pp.80-88。[1]
• O. ルーウッド (1964 年 6 月)。「純粋流体デバイス」。マシン デザイン: 154–180。
• 1969 年の空気圧ロジック要素

ウィキメディア・コモンズには、流体工学に関連するメディアがあります。

• 流体工学：空気の流れに思考を教えた方法 pp. 118–121,196.197、いくつかのスイッチ設計を図解し、アプリケーションについて議論。スキャンした記事は Google ブックスからオンラインで入手可能: ポピュラーサイエンス 1967 年 6 月
• 流体振動子の流れ場の可視化