Vad är Fluidics?

Tillämpningen av de fysikaliska egenskaperna hos vätskor och gaser som en vätska för att utföra logiska operationer som styr andra mekaniska system kallas fluidik. Hydraulik respektive pneumatik, med början från den industriella revolutionen som började runt slutet av 1700-talet, gav en grund. Efterföljande studie om vätskors dynamik – i synnerhet vätskor – utvecklades till en teoretisk modell för prediktivt beteende. Detta gav ingenjörer ett ramverk från vilket de kunde tänka sig switchar och andra logiska kretsar som blev föregångarna till modern elektronik. Även om digitala kretsar dominerar världen idag, förblir fluidiska processorer i kritisk användning.

Fluidics ska inte förväxlas med kompression eller expansion av vätskor och gaser som en hydraulisk eller pneumatisk kraftkälla. Istället är flödet av en vätska tänkt som ett medium som kan ändra dess karaktär, bära denna information och överföra den till andra flöden. Kärnfunktionen hos en fluidanordning har inga rörliga delar.

Den första uppsättningen antaganden om vätskedynamik är den klassiska mekanikens newtonska fysik. Till detta läggs variablerna hastighet, tryck, densitet och temperatur som funktioner av rum och tid. En ytterligare lag är särskilt viktig – ”kontinuumsantagandet”, att flödesegenskaperna för en vätska kan beskrivas utan att ta hänsyn till det kända faktum att vätskor är sammansatta av diskreta molekylära partiklar. Både teoretiska och empiriska fysiker fortsätter att utöka beräkningsförståelsen av viskositet, turbulens och andra speciella egenskaper hos en vätska i rörelse. Ingenjörer har följt efter med allt mer sofistikerade vätskeanordningar.

Fluidics-teknologin hade inte en full möjlighet att mogna. De första logiska kretsarna, inklusive en förstärkare och en diod, uppfanns i början av 1960-talet. Samtidigt realiserades samma koncept för signalförstärkning och överföring genom att använda ett flöde av elektroner, och uppfinningen av halvledartransistorn inledde en digital revolution.

Det fysiska flödet av en vätska kan naturligtvis inte matcha hastigheten för en elektron. En fluidisk signalprocessor har vanligtvis en arbetshastighet på bara några kilohertz. Till skillnad från en elektron är massflödet av en vätska eller gas opåverkat av elektromagnetiska eller joniska störningar. Fluidik förblir därför nödvändig för kontroll av vissa felintoleranta system, såsom militär flygelektronik. Fluidics har också utvecklats till effektiva processorer av analoga data på grund av vätskornas natur att flöda som en våg.

En av de stora utmaningarna med fluidik är att principerna för fluiddynamik uppenbarligen är olika beroende på skala. För att vara säker har klimatologer ännu inte helt förstå hur enormt stora vattenkroppar eller luftströmmar beter sig. Likaså har forskare upptäckt att vätskor beter sig väldigt olika när de studeras i nanoteknologiska skala. Framtida studier och tillämpning av det senare, kallat nanofluidik, innebär möjligheten till betydligt snabbare och mer komplexa kretsar, inklusive flera grindmatriser för parallell bearbetning.