تعمل هذه الساعة الناعمة على تشغيل شاشتها بمنطق هوائي

الإلكترونات هي عظيم. نستخدمها لتحريك المركبات وإضاءة المدن وبالطبع الحساب. لكن الحساب لا يقتصر على عالم الإلكترونيات. والتحول إلى عوالم غير إلكترونية بديلة يمكن أن يفتح الباب أمام مزايا فريدة: فالرقائق الضوئية، على سبيل المثال، تعالج المعلومات بالضوء بينما تولد القليل من الحرارة. البديل الآخر المقنع هو علم الموائع، والذي يستخدم الغازات أو السوائل المضغوطة لبناء دوائر منطقية. كان هذا المجال رائدًا في الستينيات ولكن تم تهميشه بسبب الرقائق الدقيقة، ثم عاد إلى الظهور في التسعينيات باسم “الموائع الدقيقة”. يهدف هذا النهج إلى تقليص المختبرات إلى شريحة واحدة عن طريق إنشاء قنوات سائلة مجهرية مع أنظمة تحكم هوائية دقيقة متكاملة.

اليوم، هناك انتعاش فلويدي ثانٍ، هذه المرة في مجال الروبوتات الناعمة. يؤدي توسيع نطاق تصميمات الموائع الدقيقة إلى نطاق المليمتر (الميليفلويديك) إلى تمكين معدلات التدفق الأعلى اللازمة لتشغيل المحركات الآلية. تستغل هذه الروبوتات السلوكيات غير الخطية للمواد اللينة لإنشاء حركة واقعية وتفاعلات أكثر أمانًا، وغالبًا ما تستخدم الهواء المضغوط.

ومن خلال بناء أنظمة “تفكر” بنفس الهواء الذي يزودها بالطاقة، يمكننا تقليل الحاجة إلى واجهات إلكترونية ضخمة تعمل بالهواء المضغوط بشكل كبير. هذا هو محور مختبر الروبوتات الخاص بي في Soiboi Studio. باستخدام منطق الموائع الألفية، تمكنت بشكل مطرد من زيادة تعقيد تصميماتي. ما بدأ بمذبذب بسيط تطور مؤخرًا إلى ساعة تتميز بشاشة عرض ناعمة مكونة من أربعة أرقام وسبعة أجزاء.

ما هو ميليفلويديكس؟

بناءً على أبحاث الموائع الدقيقة التي أجريت في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين والتطورات الأخيرة من مختبر جروفر في جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، قمت بتطوير أجهزة الموائع الدقيقة باستخدام الطباعة القياسية ثلاثية الأبعاد وصب السيليكون. البنية الأساسية بسيطة: يتم وضع غشاء مرن بين طبقات صلبة مدمجة مع شبكات من القنوات الهوائية.

مثلما تعتمد الإلكترونيات على جهود جهد مختلفة، تعمل هذه الدوائر الموائعية على فرق الضغط بين الضغط الجوي (المنطقي 0) والفراغ القريب عند حوالي -60 كيلو باسكال من الضغط النسبي (المنطقي 1). باستخدام الضغط السلبي يعني سحب الغشاء إلى الفتحات. يؤدي هذا إلى إنشاء أختام قوية تسمح لي بتكرار وحدات البناء الإلكترونية.

يشكل غشاء السيليكون المصبوب وجه الساعة [top]، بينما يوجد خلفه كتل ميليفلويديك مطبوعة ثلاثية الأبعاد [middle rows]. يتحكم Arduino Uno في لوحات التشغيل التي تعمل بملفات لولبية، والتي تكون متصلة بصمامات متصلة بمضخة تفريغ [bottom row].جيمس بروفوست

في حين يمكن تحقيق المقاومات الموائعية بسهولة عن طريق ضبط هندسة القناة، فإن قلب النظام عبارة عن صمام يحاكي ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات وأكسيد المعدن، أو MOSFET. يتميز هذا “الترانزستور” الفراغي بطبقة تدفق ذات حجرتين (المصدر والصرف) مقسمة على مقعد صمام مركزي وطبقة تحكم تحتوي على تجويف (البوابة). يمتد الغشاء بين طبقات التحكم والتدفق ويمنع عادة تدفق الهواء بين غرف المصدر والصرف. لتشغيل الترانزستور، يتم تطبيق فراغ على حجرة البوابة، مما يؤدي إلى امتصاص الغشاء إلى داخل التجويف ورفعه عن المقعد. وهذا يفتح مسارًا لتدفق الهواء، أي ما يعادل إغلاق دائرة كهربائية. ومن خلال إضافة فتحة صغيرة إلى الغشاء، أنشأت صمامًا مانعًا للرجوع، وهو المعادل السائل للصمام الثنائي. ومن خلال الجمع بين الترانزستورات والقنوات المنسدلة المقاومة، يمكنني بناء مجموعة كاملة من البوابات المنطقية.

كانت تصميمات الموائع الدقيقة الأصلية التي ألهمتني مصنوعة من الزجاج المحفور والأكريليك المطحون. يتطلب تكييفها لطابعة ثلاثية الأبعاد قياسية إعادة هندسة العناصر المنطقية وإتقان تقنيتين مهمتين للتصنيع.

أولاً، أحتاج إلى مطبوعات محكمة الإغلاق، لكن البلاستيك المطبوع مسامي للغاية. ومن خلال الطباعة في درجات حرارة مرتفعة، وسرعات بطيئة، وزيادة طفيفة في البثق، تمكنت من ملء الفجوات المجهرية. عند استخدام خيوط شفافة، يوجد مؤشر مرئي مفيد: كلما ظهر البلاستيك أكثر شفافية، انخفضت مساميته.

ثانيًا، استخدمت الزجاج لسرير الطباعة الخاص بي. من خلال طباعة الغرف العلوية والسفلية مباشرة على هذا السرير، حصلت على سطح الواجهة ليصبح ناعمًا كالمرآة. تعتبر هذه النهاية ضرورية لإنشاء أختام موثوقة ومحكم الإغلاق. يتم وضع غشاء سيليكون بقطر 0.3 ملم بين الطبقات ويتم تثبيته بمسامير.

كيف تعمل الساعة الناعمة؟

وجه الساعة عبارة عن غشاء من السيليكون المصبوب. يتكون كل جزء من الأصابع من تجويف أساسي صغير. عندما يتم إخلاء الهواء من هذا التجويف، يتم امتصاص الغشاء إلى الداخل لتكوين تجويف مقعر. عند استعادة الضغط الجوي، ينبثق السيليكون مرة أخرى مع السطح. والنتيجة هي حركة عضوية ساحرة.

“عقل” الساعة هو Arduino Uno، في حين أن السوائل تقلل بشكل كبير من أثر الأجهزة. تتطلب شاشة العرض المكونة من أربعة أرقام وسبعة أجزاء مع نقطتين فاصلتين 29 صمامًا لولبيًا للتحكم مباشرة. تحتاج ساعتي إلى 11 صمامًا فقط.

يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الهوائي عندما تكون غرفة التحكم العلوية عند الضغط الجوي [top]. عند إزالة الهواء من غرفة التحكم، فإنه يرفع الغشاء، مما يسمح للهواء بالتدفق بين غرف التدفق السفلية وتشغيل الترانزستور [bottom]. جيمس بروفوست

لفهم كيفية عملها، فكر في شاشة LED إلكترونية قياسية مكونة من أربعة أرقام وسبعة أجزاء. يستخدم هذا أيضًا 11 سنًا لدفع أرقامه. (في شاشات وجه الساعة، يلزم وجود دبوس إضافي لدفع النقاط الفاصلة.) يتم توصيل كل رقم بحافلة بيانات مشتركة مكونة من سبعة أسطر، واحد لكل مقطع. تحدد خطوط التحكم الأربعة أرقامًا فردية. يتم إضاءة رقم واحد فقط في كل مرة، كما أن وميض الأرقام 50 مرة على الأقل في الثانية يخلق الوهم بأن جميع الأرقام الأربعة مضاءة في وقت واحد.

مثل هذا التبديل عالي السرعة غير ممكن مع الهواء. وبدلاً من ذلك، أعتمد على الذاكرة. تعمل كل قطعة كمكثف: من خلال إخلاء تجويفها (المنطق 1)، يمكنك “شحن” القطعة؛ ومن خلال استعادة الضغط الجوي (المنطق 0)، تقوم بتفريغه. ومن ثم، يعمل كل رقم كذاكرة مستقلة ذات 7 بت. إذا كان النظام محكم الإغلاق بما فيه الكفاية، فإن الأجزاء تحافظ على حالتها لعدة ثوان.

مثل الشاشة الإلكترونية، يستخدم النظام ناقل بيانات مكون من سبعة أسطر. ويتصل كل خط بصمام ذو ملف لولبي يوفر إما ضغطًا جويًا أو فراغيًا. ولمعالجة الأرقام الفردية بشكل انتقائي، قمت بوضع ترانزستور فلويدي بين كل قطعة وخط البيانات الخاص بها. يتم دمج جميع مدخلات التحكم في الترانزستورات لرقم معين في خط واحد “تمكين الكتابة” متصل بصمام الملف اللولبي الخاص به. يتيح لي تنشيط هذا الصمام كتابة البيانات في ذاكرة الرقم المقابل.

تقوم الساعة بتحديث رقم واحد في الثانية، مما يعني أن الدورة الكاملة عبر الوجه تستغرق 4 ثوانٍ. تعمل هذه الدورة أيضًا على تشغيل النقاط الفاصلة: حيث تقوم مجموعة من الثنائيات الموائعية بتوصيل خطوط التمكين بتجويف النقاط. وبالتالي، عند معالجة كل رقم، تنبض النقاط تلقائيًا.

هذه الشاشة هي أكثر من مجرد ساعة؛ إنه روبوت ناعم يحدث لمعرفة الوقت. ومن خلال تفريغ العمليات الحسابية في نفس الهواء الذي يحرك الحركة، تقترب الساعة من فئة جديدة من الآلات الأكثر بساطة وأخف وزنًا وأكثر تكاملاً. أقوم الآن بتطوير دليل للبدء في استخدام المنطق الذي يعمل بالفراغ وقد أقوم بإصدار نسخة منقحة من هذه الساعة في المستقبل. إن مشاهدة تحول جلد السيليكون بمثابة تذكير رائع بأنه ليس كل المنطق يحتاج إلى السيليكون؛ في بعض الأحيان، كل ما تحتاجه هو السيليكون المرن وتدفق الهواء.

تظهر هذه المقالة في إصدار الطباعة لشهر يونيو 2026 باسم “The Soft Clock”.