Magnetic actuation
- También llamado: magnetic manipulation, magnetic navigation
- Categoría: Actuation & drivetrain › Motors
- Etiquetas: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation
Mover un objeto magnético con fuerzas y pares procedentes de campos magnéticos generados externamente; se usa para guiar cápsulas, catéteres y microrrobots sin cables ni motores a bordo.
Definición
La actuación magnética (magnetic actuation) mueve un cuerpo que contiene un imán permanente o un material magnetizable aplicándole un campo magnético desde fuera. El campo actúa sobre el momento magnético del cuerpo de dos maneras. Un par, igual al producto vectorial del momento y el campo, gira el momento hacia la dirección del campo y solo necesita un campo, aunque sea uniforme. Una fuerza requiere un gradiente espacial del campo: el cuerpo es atraído hacia las regiones en las que la componente del campo a lo largo de su momento es más intensa. Por tanto, un campo uniforme hace girar un imán pero no lo atrae, y los sistemas que necesitan empujar o tirar de un objeto deben crear gradientes.
El campo puede proceder de varias fuentes. Los imanes permanentes llevados por un brazo robótico dan campos intensos a bajo coste, pero hay que moverlos para cambiar el campo. Los sistemas de bobinas electromagnéticas, desde simples pares de Helmholtz que crean campos uniformes para producir par hasta disposiciones de varias bobinas que conforman tanto el campo como el gradiente, permiten un control eléctrico rápido. Los escáneres clínicos de resonancia magnética (RM) pueden servir como actuadores: el intenso campo principal magnetiza un cuerpo ferromagnético hasta la saturación, y las bobinas de gradiente del escáner aplican después una fuerza proporcional al momento magnético del cuerpo y al gradiente, normalmente intercalada con la adquisición de imágenes porque se necesitan las mismas bobinas para ambas cosas. Los campos giratorios también pueden hacer girar microrrobots helicoidales para que naden como un sacacorchos.
La física impone límites estrictos. La fuerza escala con el volumen de material magnético, de modo que los robots pequeños reciben fuerzas pequeñas, y el campo de un imán disminuye bruscamente con la distancia, y su gradiente aún más rápido, por lo que actuar en lo profundo del cuerpo o en un espacio de trabajo grande es difícil. El teorema de Earnshaw descarta la levitación estable solo con campos estáticos, así que mantener un cuerpo en su sitio necesita en general control realimentado. La actuación magnética se distingue de los motores eléctricos, que también se basan en fuerzas magnéticas pero dentro de un único dispositivo: aquí la fuente del campo y el cuerpo en movimiento están separados y el cuerpo no tiene cables.
Por qué importa
Los campos magnéticos atraviesan los tejidos, el plástico y muchos otros materiales, por lo que la actuación magnética puede mover dispositivos donde no caben cables, motores ni baterías. Es la base de buena parte de la microrrobótica médica, de los catéteres orientables y de la endoscopia con cápsula, así como de los robots blandos programados magnéticamente.
Aplicaciones clave
- Guiado de cápsulas endoscópicas y de cápsulas de administración de fármacos
- Navegación magnética de catéteres y guías
- Microrrobots sin cables, incluidos los nadadores helicoidales
- Robots blandos y pinzas programados magnéticamente
- Propulsión y seguimiento de pequeños dispositivos mediante RM
En la práctica
Un equipo de investigación guía una cápsula de escala milimétrica por un canal lleno de fluido que hace las veces de vaso sanguíneo. Usa una disposición de bobinas electromagnéticas alrededor del espacio de trabajo, calibrada cartografiando el campo en muchos puntos con un magnetómetro. Una cámara o un sistema de imagen sigue la cápsula, y un controlador calcula las corrientes de las bobinas que producen el gradiente necesario para empujar la cápsula hacia el siguiente punto de paso, mientras una componente uniforme mantiene su imán alineado con el canal. Como la fuerza disponible disminuye rápidamente con la distancia a las bobinas, el equipo comprueba que el arrastre y la gravedad sobre la cápsula se mantienen por debajo de la fuerza que las bobinas pueden aplicar en todos los puntos de la ruta planificada.
Ideas erróneas comunes
- Un campo uniforme intenso atrae un imán hacia la fuente — un campo uniforme solo produce par; una fuerza neta requiere un gradiente del campo
- La intensidad del campo puede compensar la distancia — los campos, y sobre todo los gradientes, disminuyen bruscamente con la distancia, lo que limita la fuerza en lo profundo del cuerpo o lejos de las bobinas
- Los imanes fijos pueden mantener un objeto estable en el aire — el teorema de Earnshaw lo descarta para campos estáticos, así que el posicionamiento estable necesita control realimentado u otro efecto estabilizador
Quién debería saberlo
- Investigadores en robótica médica y microrrobótica
- Ingenieros que diseñan sistemas de bobinas y manipuladores magnéticos
- Investigadores en robótica blanda que trabajan con materiales magnéticos
- Ingenieros biomédicos que trabajan en dispositivos de cápsula y catéter
Tecnologías relacionadas
- Bobinas de Helmholtz (Helmholtz Coils)
- Sistemas de navegación electromagnética (Electromagnetic Navigation Systems)
- Bobinas de gradiente de RM (MRI Gradient Coils)
- Imanes permanentes de neodimio (Neodymium Permanent Magnets)
- Magnetómetros de efecto Hall (Hall-Effect Magnetometers)
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