Magnetic actuation

Auch genannt: magnetic manipulation, magnetic navigation
Kategorie: Actuation & drivetrain › Motors
Schlagwörter: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

Bewegen eines magnetischen Objekts mit Kräften und Drehmomenten aus extern erzeugten Magnetfeldern; verwendet, um kabellose Kapseln, Katheter und Mikroroboter ohne Drähte oder eingebaute Motoren zu steuern.

Definition

Magnetische Aktuierung (magnetic actuation) treibt einen Körper, der einen Permanentmagneten oder magnetisierbares Material enthält, an, indem von außen ein Magnetfeld angelegt wird. Das Feld wirkt auf zwei Arten auf das magnetische Moment des Körpers. Ein Drehmoment, gleich dem Kreuzprodukt aus Moment und Feld, dreht das Moment in Feldrichtung und braucht nur ein Feld, auch ein homogenes. Eine Kraft erfordert einen räumlichen Gradienten des Feldes: Der Körper wird in Bereiche gezogen, in denen die Feldkomponente entlang seines Moments stärker ist. Ein homogenes Feld dreht einen Magneten daher, zieht ihn aber nicht, und Systeme, die ein Objekt schieben oder ziehen müssen, müssen Gradienten erzeugen.

Das Feld kann aus mehreren Quellen stammen. Von einem Roboterarm getragene Permanentmagnete liefern starke Felder zu geringen Kosten, müssen aber bewegt werden, um das Feld zu ändern. Elektromagnetische Spulensysteme, von einfachen Helmholtz-Paaren, die homogene Felder für Drehmomente erzeugen, bis zu Mehrspulenanordnungen, die Feld und Gradient formen, erlauben eine schnelle elektrische Steuerung. Klinische MRT-Scanner können als Aktoren dienen: Das starke Hauptfeld magnetisiert einen ferromagnetischen Körper bis zur Sättigung, und die Gradientenspulen des Scanners üben dann eine Kraft aus, die proportional zum magnetischen Moment des Körpers und zum Gradienten ist, meist im Wechsel mit der Bildgebung, da für beides dieselben Spulen gebraucht werden. Rotierende Felder können außerdem helixförmige Mikroroboter drehen, sodass sie wie ein Korkenzieher schwimmen.

Die Physik setzt harte Grenzen. Die Kraft skaliert mit dem Volumen des magnetischen Materials, sodass kleine Roboter kleine Kräfte erhalten, und das Feld eines Magneten fällt mit der Entfernung steil ab, sein Gradient noch schneller, weshalb eine Aktuierung tief im Körper oder über einen großen Arbeitsraum schwierig ist. Das Earnshaw-Theorem schließt eine stabile Levitation allein mit statischen Feldern aus, sodass das Festhalten eines Körpers an Ort und Stelle im Allgemeinen eine Regelung mit Rückführung erfordert. Magnetische Aktuierung unterscheidet sich von Elektromotoren, die ebenfalls auf magnetischen Kräften beruhen, aber innerhalb eines einzigen Geräts: Hier sind Feldquelle und bewegter Körper getrennt, und der Körper ist kabellos.

Warum es wichtig ist

Magnetfelder durchdringen Gewebe, Kunststoff und viele andere Materialien, sodass magnetische Aktuierung Geräte dort bewegen kann, wo Drähte, Motoren oder Batterien keinen Platz haben. Sie ist die Grundlage eines Großteils der medizinischen Mikrorobotik, steuerbarer Katheter und der Kapselendoskopie sowie magnetisch programmierter weicher Roboter.

Wichtige Anwendungen

Steuerung von Kapselendoskopen und Kapseln zur Wirkstoffabgabe
Magnetische Navigation von Kathetern und Führungsdrähten
Kabellose Mikroroboter, einschließlich helixförmiger Schwimmer
Magnetisch programmierte weiche Roboter und Greifer
MRT-basierter Antrieb und MRT-basierte Verfolgung kleiner Geräte

In der Praxis

Ein Forschungsteam steuert eine millimetergroße Kapsel durch einen flüssigkeitsgefüllten Kanal, der ein Blutgefäß nachbildet. Es verwendet eine Anordnung elektromagnetischer Spulen um den Arbeitsraum, kalibriert durch Kartieren des Feldes an vielen Punkten mit einem Magnetometer. Eine Kamera oder ein Bildgebungssystem verfolgt die Kapsel, und ein Regler berechnet die Spulenströme, die den Gradienten erzeugen, der nötig ist, um die Kapsel zum nächsten Wegpunkt zu schieben, während eine homogene Komponente ihren Magneten am Kanal ausgerichtet hält. Da die verfügbare Kraft mit der Entfernung von den Spulen schnell abnimmt, prüft das Team, dass Strömungswiderstand und Schwerkraft auf die Kapsel überall entlang der geplanten Route unter der Kraft bleiben, die die Spulen liefern können.

Häufige Missverständnisse

Ein starkes homogenes Feld zieht einen Magneten zur Quelle — ein homogenes Feld erzeugt nur ein Drehmoment; eine resultierende Kraft erfordert einen Feldgradienten
Feldstärke kann Entfernung ausgleichen — Felder und besonders Gradienten fallen mit der Entfernung steil ab, was die Kraft tief im Körper oder fern von den Spulen begrenzt
Feste Magnete können ein Objekt stabil in der Luft halten — das Earnshaw-Theorem schließt dies für statische Felder aus, daher braucht eine stabile Positionierung eine Regelung mit Rückführung oder einen anderen stabilisierenden Effekt

Wer das wissen sollte

Forschende in medizinischer Robotik und Mikrorobotik
Ingenieure, die Spulensysteme und magnetische Manipulationssysteme entwerfen
Forschende in der Weichrobotik, die mit magnetischen Materialien arbeiten
Biomedizintechniker, die an Kapsel- und Kathetergeräten arbeiten

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