Yumuşak Bir Dijital Saatin Tıkırtısını Milliflüidiklerle Yapın

Elektronlar harika. Onları araçları hareket ettirmek, şehirleri aydınlatmak ve elbette hesaplama yapmak için kullanıyoruz. Ancak hesaplama, elektronik dünyasıyla sınırlı değil. Alternatif elektronik olmayan alanlara geçiş yapmak, benzersiz avantajlar sağlayabilir: Örneğin, fotonik çipler, ışıkla bilgi işlerken çok az ısı üretir. Bir diğer ilgi çekici alternatif ise, mantık devreleri oluşturmak için basınçlı gazlar veya sıvılar kullanan akışkanlardır. 1960'larda öncülük edilen bu alan, mikroçipler tarafından geri planda kalmış, 1990'larda “mikroakışkanlar” olarak yeniden ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşım, entegre mikro-pnömatik kontrol sistemleri ile mikroskobik sıvı kanalları oluşturarak laboratuvarları tek bir çipe küçültmeyi hedeflemektedir. Bugün, yumuşak robotik alanında ikinci bir akışkan canlanması yaşanıyor. Mikroakışkan tasarımlarını milimetre ölçeğine (miliflüidik) ölçeklendirmek, robotik aktüatörleri çalıştırmak için gerekli olan daha yüksek akış hızlarını sağlar. Bu robotlar, yumuşak malzemelerin doğrusal olmayan davranışlarını kullanarak gerçekçi hareket ve daha güvenli etkileşimler yaratır; genellikle basınçlı hava kullanırlar. Harekete geçiren havayla “düşünen” sistemler inşa ederek, hacimli elektronik-pnömatik arayüzlere olan ihtiyacı önemli ölçüde azaltabiliriz. Bu, Soiboi Studio robotik laboratuvarımın odak noktasıdır. Miliflüidik mantık ile tasarımlarımın karmaşıklığını sürekli olarak artırdım. Basit bir osilatörle başlayan süreç, en son bir yumuşak, dört haneli, yedi segmentli bir saat haline evrildi. Miliflüidikler Nedir? 2000'lerin başındaki mikroakışkan araştırmalarına ve California Üniversitesi, Riverside'daki Grover Laboratuvarı'ndaki son gelişmelere dayanarak, standart 3D baskı ve silikon döküm kullanarak miliflüidik cihazlar geliştirdim. Temel mimari basittir: Esnek bir membran, hava kanalları ağlarıyla gömülü sert katmanlar arasında yer alır. Elektronikler farklı voltaj potansiyellerine dayanıyorsa, bu akışkan devreler atmosferik basınç (mantıksal 0) ile yaklaşık -60 kilopaskal relatif basınçta bir yakın vakum (mantıksal 1) arasındaki basınç farkına dayanır. Negatif basınç kullanmak, membranın açıklıklara çekilmesini sağlar. Bu, elektronik yapı taşlarını çoğaltmama olanak tanıyan sağlam sızdırmazlıklar oluşturur. Dökme silikon membran, saatin yüzünü oluştururken [üst], arkasında 3D baskılı miliflüidik bloklar bulunur [orta sıralar]. Bir Arduino Uno, solenoidleri çalıştıran sürücü kartlarını kontrol eder; bu solenoidler, bir vakum pompasına bağlı valflere bağlanmıştır [alt sıra]. Akışkan dirençler, kanal geometrisini ayarlayarak kolayca gerçekleştirilebilirken, sistemin kalbi, metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistörü (MOSFET) taklit eden bir valftir. Bu vakum “transistörü”, merkezi bir vana koltuğu ile iki odadan (kaynak ve drenaj) oluşan bir akış katmanına ve bir boşluk (kapı) içeren bir kontrol katmanına sahiptir. Kontrol ve akış katmanları arasında bir membran bulunur ve genellikle kaynak ve drenaj odaları arasında hava akışını engeller. Transistörü açmak için, kapı odasına bir vakum uygulanır, membranı boşluğa çekerek koltuktan kaldırır. Bu, hava akışı için bir yol açar ve elektrik devresini kapatmaya eşdeğerdir. Membrana küçük bir açıklık ekleyerek, bir kontrol valfi oluşturdum - akışkanın diyot eşdeğeri. Transistörleri ve dirençli “aşağı çekme” kanallarını birleştirerek, tam bir mantık kapıları seti inşa edebilirim. Beni etkileyen orijinal mikroakışkan tasarımlar, asitlenmiş cam ve frezelenmiş akrilikten üretilmiştir. Bunları standart bir 3D yazıcıya uyarlamak, mantık elemanlarını yeniden mühendislik yapmayı ve iki kritik üretim tekniğini ustalıkla kullanmayı gerektiriyordu. İlk olarak, hava geçirmez baskılara ihtiyacım var, ancak baskı plastikleri genellikle gözeneklidir. Yüksek sıcaklıklarda, yavaş hızlarda ve hafif aşırı ekstrüzyonla baskı yaparak mikroskobik boşlukları doldurmayı başardım. Şeffaf filament kullanırken, daha şeffaf görünmesi, gözenekliliğin daha düşük olduğunu gösteren kullanışlı bir görsel gösterge vardır. İkincisi, baskı yatağım için cam kullandım. Üst ve alt odaları doğrudan bu