Magnetic actuation

Detto anche: magnetic manipulation, magnetic navigation
Categoria: Actuation & drivetrain › Motors
Tag: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

Muovere un oggetto magnetico con forze e coppie generate da campi magnetici esterni, usata per guidare capsule, cateteri e microrobot senza cavi né motori a bordo.

Definizione

L'attuazione magnetica (magnetic actuation) muove un corpo che contiene un magnete permanente o un materiale magnetizzabile applicando un campo magnetico dall'esterno. Il campo agisce sul momento magnetico del corpo in due modi. Una coppia, pari al prodotto vettoriale tra il momento e il campo, ruota il momento verso la direzione del campo e richiede solo un campo, anche uniforme. Una forza richiede un gradiente spaziale del campo: il corpo viene attratto verso le regioni in cui la componente del campo lungo il suo momento è più intensa. Un campo uniforme quindi fa ruotare un magnete ma non lo attrae, e i sistemi che devono spingere o tirare un oggetto devono creare gradienti.

Il campo può provenire da diverse sorgenti. I magneti permanenti portati da un braccio robotico danno campi intensi a basso costo, ma devono essere spostati per cambiare il campo. I sistemi di bobine elettromagnetiche, dalle semplici coppie di Helmholtz che creano campi uniformi per la coppia alle disposizioni a più bobine che modellano sia il campo sia il gradiente, consentono un controllo elettrico rapido. Gli scanner clinici di risonanza magnetica (RM) possono fungere da attuatori: l'intenso campo principale magnetizza un corpo ferromagnetico fino alla saturazione, e le bobine di gradiente dello scanner applicano poi una forza proporzionale al momento magnetico del corpo e al gradiente, di solito alternata con l'acquisizione delle immagini perché le stesse bobine servono per entrambe. I campi rotanti possono anche far ruotare microrobot elicoidali in modo che nuotino come un cavatappi.

La fisica pone limiti rigidi. La forza scala con il volume di materiale magnetico, quindi i robot piccoli ricevono forze piccole, e il campo di un magnete decresce rapidamente con la distanza, il suo gradiente ancora più in fretta, per cui attuare in profondità nel corpo o su un'area di lavoro ampia è difficile. Il teorema di Earnshaw esclude la levitazione stabile con soli campi statici, per cui mantenere un corpo in posizione richiede in genere un controllo in retroazione. L'attuazione magnetica si distingue dai motori elettrici, che pure si basano su forze magnetiche ma all'interno di un unico dispositivo: qui la sorgente del campo e il corpo in movimento sono separati e il corpo non ha cavi.

Perché è importante

I campi magnetici attraversano i tessuti, la plastica e molti altri materiali, per cui l'attuazione magnetica può muovere dispositivi dove cavi, motori o batterie non trovano posto. È alla base di gran parte della microrobotica medica, dei cateteri orientabili e dell'endoscopia con capsula, oltre che dei robot morbidi programmati magneticamente.

Applicazioni principali

Guida di capsule endoscopiche e di capsule per il rilascio di farmaci
Navigazione magnetica di cateteri e fili guida
Microrobot senza cavi, compresi i nuotatori elicoidali
Robot morbidi e pinze programmati magneticamente
Propulsione e tracciamento di piccoli dispositivi basati sulla RM

In pratica

Un gruppo di ricerca guida una capsula di scala millimetrica attraverso un canale pieno di fluido che simula un vaso sanguigno. Usa una disposizione di bobine elettromagnetiche attorno all'area di lavoro, calibrata mappando il campo in molti punti con un magnetometro. Una telecamera o un sistema di imaging traccia la capsula, e un controllore calcola le correnti delle bobine che producono il gradiente necessario a spingere la capsula verso il waypoint successivo, mentre una componente uniforme mantiene il suo magnete allineato con il canale. Poiché la forza disponibile decresce rapidamente con la distanza dalle bobine, il gruppo verifica che la resistenza del fluido e la gravità sulla capsula restino al di sotto della forza che le bobine possono fornire in ogni punto del percorso pianificato.

Idee sbagliate comuni

Un campo uniforme intenso attrae un magnete verso la sorgente — un campo uniforme produce solo coppia; una forza netta richiede un gradiente del campo
L'intensità del campo può compensare la distanza — i campi, e soprattutto i gradienti, decrescono rapidamente con la distanza, il che limita la forza in profondità nel corpo o lontano dalle bobine
Dei magneti fissi possono tenere un oggetto stabilmente sospeso in aria — il teorema di Earnshaw lo esclude per i campi statici, quindi un posizionamento stabile richiede un controllo in retroazione o un altro effetto stabilizzante

Chi dovrebbe saperlo

Ricercatori di robotica medica e microrobotica
Ingegneri che progettano sistemi di bobine e manipolatori magnetici
Ricercatori di soft robotics che lavorano con materiali magnetici
Ingegneri biomedici che lavorano su dispositivi a capsula e cateteri

Tecnologie correlate

Bobine di Helmholtz (Helmholtz Coils)
Sistemi di navigazione elettromagnetica (Electromagnetic Navigation Systems)
Bobine di gradiente della RM (MRI Gradient Coils)
Magneti permanenti al neodimio (Neodymium Permanent Magnets)
Magnetometri a effetto Hall (Hall-Effect Magnetometers)

Termini correlati

Progetti correlati

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