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Magnetic actuation

  • 別名: magnetic manipulation, magnetic navigation
  • カテゴリ: Actuation & drivetrain › Motors
  • タグ: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

外部で発生させた磁場による力とトルクで磁性体を動かすこと。配線やオンボードのモータなしに、無索のカプセル、カテーテル、マイクロロボットを操るのに使われる。

定義

磁気駆動（magnetic actuation）は、永久磁石や磁化可能な材料を含む物体を、その外部から磁場を加えることで動かす。磁場は物体の磁気モーメントに 2 通りの形で作用する。トルクはモーメントと磁場の外積に等しく、モーメントを磁場の向きへ回転させるもので、磁場さえあればよく、一様な磁場でもかまわない。力には磁場の空間的な勾配が必要であり、物体は、そのモーメント方向の磁場成分がより強い領域へ引き寄せられる。したがって一様な磁場は磁石を回すが引っ張りはせず、物体を押したり引いたりする必要のあるシステムは勾配を作らなければならない。

磁場の発生源にはいくつかの種類がある。ロボットアームが運ぶ永久磁石は低コストで強い磁場を与えるが、磁場を変えるには磁石を動かさなければならない。電磁コイルシステムは、トルクのための一様な磁場を作る単純なヘルムホルツコイル対から、磁場と勾配の両方を形づくる多コイル配置まであり、電気的に高速な制御ができる。臨床用の MRI スキャナもアクチュエータとして使える。強い主磁場が強磁性体を飽和まで磁化し、スキャナの勾配コイルが、物体の磁気モーメントと勾配に比例する力を加える。同じコイルが両方に必要なため、通常は撮像と交互に行う。回転磁場によってらせん状のマイクロロボットを回転させ、コルク抜きのように泳がせることもできる。

物理法則が厳しい限界を課す。力は磁性材料の体積に比例するので小さなロボットが受ける力は小さく、磁石の磁場は距離とともに急激に弱まり、その勾配はさらに速く弱まる。そのため、体の奥深くや広い作業空間での駆動は難しい。Earnshaw の定理により、静的な磁場だけで安定に浮上させることはできないので、物体をその場に保持するには一般にフィードバック制御が必要である。磁気駆動は電動モータとは異なる。モータも磁力に依存するが、それは 1 つの装置の内部でのことであり、ここでは磁場源と動く物体が分かれていて、物体は無索である。

重要な理由

磁場は組織、プラスチック、その他多くの材料を通り抜けるので、磁気駆動は配線、モータ、電池が収まらない場所で装置を動かせる。医療用マイクロロボティクス、操縦可能なカテーテル、カプセル内視鏡の多くの基盤であり、磁気的にプログラムされたソフトロボットの基盤でもある。

主な用途

  • カプセル内視鏡や薬物送達カプセルの操縦
  • カテーテルやガイドワイヤの磁気ナビゲーション
  • らせん型の遊泳体を含む無索マイクロロボット
  • 磁気的にプログラムされたソフトロボットとグリッパー
  • MRI による小型デバイスの推進と追跡

実際の使われ方

ある研究チームが、血管に見立てた液体で満たした流路の中で、ミリメートルサイズのカプセルを操縦する。作業空間のまわりに電磁コイルを配置し、多数の点で磁力計を使って磁場を測定してキャリブレーションする。カメラや撮像システムがカプセルを追跡し、制御装置は、カプセルを次の経由点へ押し出すのに必要な勾配を生むコイル電流を計算する。同時に、一様な成分がカプセルの磁石を流路の向きにそろえておく。利用できる力はコイルからの距離とともに急速に弱まるので、計画したルートのどこにおいても、カプセルにかかる抗力と重力がコイルの出せる力を下回っていることを確認する。

よくある誤解

  • 強い一様磁場は磁石を発生源に引き寄せる — 一様磁場はトルクしか生まず、正味の力には磁場の勾配が必要である
  • 磁場の強さで距離を補える — 磁場、とりわけ勾配は距離とともに急激に弱まり、体の奥やコイルから離れた場所での力を制限する
  • 固定した磁石で物体を空中に安定して保持できる — 静的な磁場では Earnshaw の定理によりこれは不可能であり、安定した位置決めにはフィードバック制御か別の安定化効果が必要である

知っておくべき人

  • 医療ロボティクスとマイクロロボティクスの研究者
  • コイルシステムや磁気マニピュレータを設計するエンジニア
  • 磁性材料を扱うソフトロボティクスの研究者
  • カプセルやカテーテルのデバイスに取り組む医用生体工学のエンジニア

関連技術

  • ヘルムホルツコイル（Helmholtz Coils）
  • 電磁ナビゲーションシステム（Electromagnetic Navigation Systems）
  • MRI 勾配コイル（MRI Gradient Coils）
  • ネオジム永久磁石（Neodymium Permanent Magnets）
  • ホール効果磁力計（Hall-Effect Magnetometers）

関連用語

  • Electro-Permanent Magnet
  • Actuator
  • Soft Robotics
  • Dielectric Elastomer Actuator
  • Wrench

関連プロジェクト

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

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