Создайте программируемые цифровые часы с помощью миллифлюидики.

Электроны — это замечательно. Мы используем их для движения транспортных средств, освещения городов и, конечно же, для вычислений. Но вычисления не ограничиваются миром электроники. Переход к альтернативным неэлектронным областям может открыть уникальные преимущества: например, фотонные чипы обрабатывают информацию с помощью света, выделяя при этом мало тепла. Еще одна привлекательная альтернатива — это гидродинамика, которая использует газы или жидкости под давлением для создания логических схем. Эта область, зародившаяся в 1960-х годах, но вытесненная микрочипами, вновь появилась в 1990-х годах под названием «микрогидродинамика». Цель этого подхода — уменьшить размеры лабораторий до одного чипа путем создания микроскопических каналов для жидкости с интегрированными микропневматическими системами управления.

Сегодня наблюдается второе возрождение микрофлюидики, на этот раз в области мягкой робототехники. Масштабирование микрофлюидных конструкций до миллиметрового диапазона (миллифлюидика) позволяет достигать более высоких скоростей потока, необходимых для привода роботизированных актуаторов. Эти роботы используют нелинейное поведение мягких материалов для создания реалистичных движений и более безопасного взаимодействия, часто с использованием сжатого воздуха.

Создавая системы, которые «думают» с помощью того же воздуха, который их питает, мы можем значительно уменьшить потребность в громоздких электронно-пневматических интерфейсах. Именно на этом сосредоточена моя робототехническая лаборатория Soiboi Studio. Используя миллифлюидную логику, я неуклонно увеличивал сложность своих разработок. То, что начиналось с простого осциллятора, совсем недавно превратилось в часы с мягким четырехзначным семисегментным дисплеем.

Что такое миллифлюидика?

Опираясь на исследования в области микрофлюидики начала 2000-х годов и последние разработки лаборатории Гровера в Калифорнийском университете в Риверсайде, я разработал миллифлюидные устройства с использованием стандартной 3D-печати и литья из силикона. Базовая архитектура проста: гибкая мембрана находится между жесткими слоями, содержащими сети воздушных каналов.

Подобно тому, как электроника работает на основе различных потенциалов напряжения, эти жидкостные схемы функционируют за счет разницы давлений между атмосферным давлением (логический 0) и почти вакуумом, составляющим около −60 килопаскалей относительного давления (логический 1). Использование отрицательного давления означает, что мембрана втягивается в отверстия. Это создает надежные уплотнения, позволяющие мне воспроизводить электронные компоненты.

Циферблат часов [вверху] выполнен из литой силиконовой мембраны, а за ней расположены напечатанные на 3D-принтере миллифлюидные блоки [средние ряды]. Arduino Uno управляет платами драйверов, которые приводят в действие соленоиды, соединенные с клапанами, подключенными к вакуумному насосу [нижний ряд]. Джеймс Провост

Хотя жидкостные резисторы легко реализовать путем регулирования геометрии канала, сердцем системы является клапан, имитирующий полевой транзистор на основе металлооксидного полупроводника (MOSFET). Этот вакуумный «транзистор» имеет проточный слой с двумя камерами (источник и сток), разделенными центральным седлом клапана, и управляющий слой, содержащий полость (затвор). Между управляющим и проточным слоями проходит мембрана, которая обычно предотвращает поток воздуха между камерами истока и стока. Для включения транзистора в камеру затвора подается вакуум, всасывающий мембрану в полость и поднимающий ее с седла. Это открывает путь для потока воздуха, что эквивалентно замыканию электрической цепи. Добавив небольшое отверстие в мембрану, я создал обратный клапан — жидкостной эквивалент диода. Комбинируя транзисторы и резистивные «подтягивающие» каналы, я могу построить полный набор логических элементов.

Оригинальные микрофлюидные конструкции, которые меня вдохновили, были изготовлены из травленого стекла и фрезерованного акрила. Для адаптации их к стандартному 3D-принтеру потребовалось перепроектировать логические элементы и освоить две важнейшие технологии изготовления.

Во-первых, мне нужны герметичные детали, но напечатанный пластик, как известно, очень пористый. Благодаря печати при повышенных температурах, низкой скорости и небольшому переэкструзионному воздействию мне удалось заполнить микроскопические зазоры. При использовании прозрачного филамента есть удобный визуальный индикатор: чем прозрачнее пластик, тем ниже его пористость.

Во-вторых, я использовал стекло в качестве рабочей поверхности для печати. Печатая верхнюю и нижнюю камеры непосредственно на этой поверхности, я добился зеркальной гладкости. Такая обработка необходима для создания надежных, воздухонепроницаемых уплотнений. Между слоями помещается силиконовая мембрана толщиной 0,3 миллиметра, закрепленная винтами.

Как работает программные часы?

Циферблат представляет собой литую силиконовую мембрану. Каждый сегмент цифры образован небольшой полостью под ней. Когда из этой полости удаляется воздух, мембрана втягивается внутрь, образуя вогнутую полость; когда атмосферное давление восстанавливается, силикон возвращается на место заподлицо с поверхностью. В результате получается завораживающее, органичное движение.

«Мозгом» часов является Arduino Uno, а гидродинамика значительно уменьшает занимаемое аппаратное обеспечение. Для управления четырехзначным семисегментным дисплеем с двумя разделительными точками потребовалось бы 29 электромагнитных клапанов. Моим часам нужно всего 11 клапанов.

Пневматический транзистор выключен, когда его верхняя управляющая камера находится под атмосферным давлением [вверху]. Когда воздух удаляется из управляющей камеры, он поднимает мембрану, которая позволяет воздуху протекать между нижними камерами потока и включает транзистор [внизу]. Джеймс Провост

Чтобы понять принцип работы, рассмотрим стандартный электронный четырехразрядный семисегментный светодиодный дисплей. В нем также используется 11 контактов для управления цифрами. (В дисплеях с циферблатом часов требуется дополнительный контакт для управления разделительными точками.) Каждая цифра подключена к общей шине данных с семью линиями, по одной на сегмент. Четыре управляющие линии выбирают отдельные цифры. В каждый момент времени подсвечивается только одна цифра, а стробирование цифр не менее 50 раз в секунду создает иллюзию одновременного свечения всех четырех.

Такая высокоскоростная коммутация невозможна в воздушной среде. Вместо этого я использую память. Каждый сегмент действует как конденсатор: откачивая воздух из его полости (логическая единица), вы «заряжаете» сегмент; восстанавливая атмосферное давление (логический ноль), вы его разряжаете. Таким образом, каждая цифра действует как независимая 7-битная память. Если система достаточно герметична, сегменты сохраняют свое состояние в течение нескольких секунд.

Как и электронный дисплей, система использует семилинейную шину данных. Каждая линия подключена к электромагнитному клапану, который обеспечивает либо вакуум, либо атмосферное давление. Для выборочной адресации отдельных цифр я разместил жидкостной транзистор между каждым сегментом и его линией данных. Все управляющие входы транзисторов для данной цифры объединены в одну линию «разрешения записи», подключенную к собственному электромагнитному клапану. Активация этого клапана позволяет мне записывать данные в память соответствующей цифры.

Часы обновляют одну цифру в секунду, то есть полный цикл обновления циферблата занимает 4 секунды. Этот цикл также управляет разделительными точками: набор жидкостных диодов соединяет линии разрешения с полостями точек. Следовательно, при обращении к каждой цифре точки автоматически пульсируют.

Этот дисплей — больше, чем просто часы; это мягкий робот, который, по стечению обстоятельств, показывает время. Перенося вычисления на тот же воздух, который приводит в движение механизм, часы приближаются к новому классу машин, которые проще, легче и более интегрированы. Сейчас я разрабатываю руководство по началу работы с логикой, работающей на вакууме, и, возможно, в будущем выпущу усовершенствованную версию этих часов. Наблюдение за деформацией силиконовой оболочки служит увлекательным напоминанием о том, что не вся логика требует кремния; иногда все, что нужно, — это гибкий силикон и поток воздуха.

Эта статья опубликована в печатном номере за июнь 2026 года под заголовком «Мягкие часы».