Magnetic actuation

Aussi appelé: magnetic manipulation, magnetic navigation
Catégorie: Actuation & drivetrain › Motors
Mots-clés: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

Déplacement d'un objet magnétique au moyen de forces et de couples issus de champs magnétiques générés à l'extérieur, utilisé pour diriger des capsules, des cathéters et des microrobots sans câble ni moteur embarqué.

Définition

L'actionnement magnétique (magnetic actuation) entraîne un corps contenant un aimant permanent ou un matériau magnétisable en lui appliquant un champ magnétique depuis l'extérieur. Le champ agit sur le moment magnétique du corps de deux façons. Un couple, égal au produit vectoriel du moment et du champ, fait tourner le moment vers la direction du champ et ne requiert qu'un champ, même uniforme. Une force exige un gradient spatial du champ : le corps est attiré vers les régions où la composante du champ selon son moment est plus forte. Un champ uniforme fait donc tourner un aimant mais ne le tire pas, et les systèmes qui doivent pousser ou tirer un objet doivent créer des gradients.

Le champ peut provenir de plusieurs sources. Les aimants permanents portés par un bras robotique donnent des champs intenses à faible coût mais doivent être déplacés pour modifier le champ. Les systèmes de bobines électromagnétiques, des simples paires de Helmholtz qui créent des champs uniformes pour le couple jusqu'aux agencements multibobines qui façonnent à la fois le champ et le gradient, permettent une commande électrique rapide. Les scanners IRM cliniques peuvent servir d'actionneurs : le champ principal intense aimante un corps ferromagnétique jusqu'à saturation, puis les bobines de gradient du scanner appliquent une force proportionnelle au moment magnétique du corps et au gradient, généralement en alternance avec l'imagerie puisque les mêmes bobines servent aux deux. Des champs tournants peuvent aussi faire tourner des microrobots hélicoïdaux pour qu'ils nagent comme un tire-bouchon.

La physique impose des limites strictes. La force est proportionnelle au volume de matériau magnétique, si bien que les petits robots reçoivent de petites forces, et le champ d'un aimant décroît fortement avec la distance, son gradient plus vite encore, de sorte qu'actionner en profondeur dans le corps ou sur un grand espace de travail est difficile. Le théorème d'Earnshaw exclut une lévitation stable avec des champs statiques seuls, si bien que maintenir un corps en place nécessite en général une commande par rétroaction. L'actionnement magnétique se distingue des moteurs électriques, qui reposent aussi sur des forces magnétiques mais au sein d'un seul dispositif : ici, la source de champ et le corps mobile sont séparés et le corps n'est relié par aucun câble.

Pourquoi c'est important

Les champs magnétiques traversent les tissus, le plastique et de nombreux autres matériaux, de sorte que l'actionnement magnétique peut déplacer des dispositifs là où des fils, des moteurs ou des batteries ne tiennent pas. Il est à la base d'une grande partie de la microrobotique médicale, des cathéters orientables et de l'endoscopie par capsule, ainsi que des robots souples programmés magnétiquement.

Applications principales

Guidage de capsules endoscopiques et de capsules de délivrance de médicaments
Navigation magnétique de cathéters et de fils-guides
Microrobots sans câble, y compris les nageurs hélicoïdaux
Robots souples et pinces programmés magnétiquement
Propulsion et suivi de petits dispositifs par IRM

En pratique

Une équipe de recherche guide une capsule millimétrique dans un canal rempli de liquide qui tient lieu de vaisseau sanguin. Elle utilise un agencement de bobines électromagnétiques autour de l'espace de travail, étalonné en cartographiant le champ en de nombreux points avec un magnétomètre. Une caméra ou un système d'imagerie suit la capsule, et un contrôleur calcule les courants des bobines qui produisent le gradient nécessaire pour pousser la capsule vers le point de passage suivant, tandis qu'une composante uniforme maintient son aimant aligné avec le canal. Comme la force disponible décroît rapidement avec la distance aux bobines, l'équipe vérifie que la traînée et la gravité qui s'exercent sur la capsule restent inférieures à la force que les bobines peuvent fournir tout au long de l'itinéraire prévu.

Idées reçues

Un champ uniforme intense attire un aimant vers la source — un champ uniforme ne produit qu'un couple ; une force nette exige un gradient de champ
L'intensité du champ peut compenser la distance — les champs, et surtout les gradients, décroissent fortement avec la distance, ce qui limite la force en profondeur dans le corps ou loin des bobines
Des aimants fixes peuvent maintenir un objet de façon stable en l'air — le théorème d'Earnshaw l'exclut pour les champs statiques, si bien qu'un positionnement stable exige une commande par rétroaction ou un autre effet stabilisant

Qui devrait le savoir

Chercheurs en robotique médicale et en microrobotique
Ingénieurs qui conçoivent des systèmes de bobines et des manipulateurs magnétiques
Chercheurs en robotique souple travaillant avec des matériaux magnétiques
Ingénieurs biomédicaux travaillant sur des dispositifs à capsule et à cathéter

Technologies associées

Bobines de Helmholtz (Helmholtz Coils)
Systèmes de navigation électromagnétique (Electromagnetic Navigation Systems)
Bobines de gradient IRM (MRI Gradient Coils)
Aimants permanents au néodyme (Neodymium Permanent Magnets)
Magnétomètres à effet Hall (Hall-Effect Magnetometers)

Termes associés

Projets associés

da Vinci Research Kit (dVRK): Open electronics, firmware and software to control retired da Vinci surgical robots