Magnetic actuation

• 다른 이름: magnetic manipulation, magnetic navigation
• 카테고리: Actuation & drivetrain › Motors
• 태그: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

외부에서 만든 자기장의 힘과 토크로 자성 물체를 움직이는 것. 무선 캡슐, 카테터, 마이크로로봇을 전선이나 탑재 모터 없이 조종하는 데 쓰인다.

정의

자기 구동(magnetic actuation)은 영구 자석이나 자화 가능한 재료를 품은 물체에 외부에서 자기장을 가해 그 물체를 움직인다. 자기장은 물체의 자기 모멘트에 두 가지 방식으로 작용한다. 모멘트와 자기장의 외적과 같은 토크는 모멘트를 자기장 방향으로 회전시키며, 자기장만 있으면 되고 균일한 자기장이어도 된다. 힘에는 자기장의 공간적 기울기가 필요하다. 물체는 그 모멘트 방향의 자기장 성분이 더 강한 영역 쪽으로 끌려간다. 따라서 균일한 자기장은 자석을 돌리기는 하지만 끌어당기지는 않으며, 물체를 밀거나 당겨야 하는 시스템은 기울기를 만들어야 한다.

자기장은 여러 원천에서 얻을 수 있다. 로봇 암이 들고 다니는 영구 자석은 낮은 비용으로 강한 자기장을 주지만, 자기장을 바꾸려면 자석을 움직여야 한다. 토크용 균일 자기장을 만드는 단순한 헬름홀츠 코일 쌍부터 자기장과 기울기를 함께 형성하는 다중 코일 배치까지, 전자기 코일 시스템은 빠른 전기적 제어를 가능하게 한다. 임상용 MRI 스캐너도 액추에이터로 쓸 수 있다. 강한 주 자기장이 강자성 물체를 포화될 때까지 자화하고, 이어서 스캐너의 경사 코일이 물체의 자기 모멘트와 기울기에 비례하는 힘을 가한다. 두 용도에 같은 코일이 필요하므로 이는 보통 영상 촬영과 번갈아 이루어진다. 회전 자기장으로 나선형 마이크로로봇을 돌려 코르크 따개처럼 헤엄치게 할 수도 있다.

물리 법칙이 엄격한 한계를 정한다. 힘은 자성 재료의 부피에 비례하므로 작은 로봇은 작은 힘을 받으며, 자석의 자기장은 거리에 따라 급격히 약해지고 그 기울기는 더 빠르게 약해지므로, 몸속 깊은 곳이나 넓은 작업 공간에 걸친 구동은 어렵다. 언쇼 정리는 정적 자기장만으로 안정적인 부양이 불가능함을 보이므로, 물체를 제자리에 붙잡아 두려면 일반적으로 피드백 제어가 필요하다. 자기 구동은 전기 모터와 다르다. 전기 모터도 자기력에 의존하지만 하나의 장치 안에서 그렇다. 여기서는 자기장 원천과 움직이는 물체가 분리되어 있으며 물체는 무선이다.

중요한 이유

자기장은 조직, 플라스틱, 그 밖의 많은 재료를 통과하므로, 자기 구동은 전선, 모터, 배터리가 들어갈 수 없는 곳에서 장치를 움직일 수 있다. 의료용 마이크로로보틱스, 조향 가능한 카테터, 캡슐 내시경의 상당 부분과 자기적으로 프로그래밍된 소프트 로봇의 기반이 된다.

주요 응용

• 캡슐 내시경과 약물 전달 캡슐의 조종
• 카테터와 가이드와이어의 자기 내비게이션
• 나선형 수영 로봇을 포함한 무선 마이크로로봇
• 자기적으로 프로그래밍된 소프트 로봇과 그리퍼
• MRI 기반 소형 장치 추진 및 추적

실제 사례

한 연구팀이 혈관을 대신하는 유체로 채운 채널 속에서 밀리미터 크기의 캡슐을 조종한다. 작업 공간 주위에 전자기 코일을 배치하고, 자력계로 여러 지점의 자기장을 측정해 지도를 만드는 방식으로 캘리브레이션한다. 카메라나 영상 시스템이 캡슐을 추적하고, 제어기는 캡슐을 다음 경유점 쪽으로 미는 데 필요한 기울기를 만드는 코일 전류를 계산하며, 균일 성분은 캡슐의 자석이 채널과 나란하도록 유지한다. 사용할 수 있는 힘은 코일에서 멀어질수록 빠르게 줄어들므로, 계획한 경로 전체에서 캡슐에 작용하는 항력과 중력이 코일이 낼 수 있는 힘보다 작게 유지되는지 확인한다.

흔한 오해

• 강한 균일 자기장은 자석을 원천 쪽으로 끌어당긴다 — 균일 자기장은 토크만 만든다. 알짜 힘에는 자기장 기울기가 필요하다
• 자기장 세기로 거리를 보상할 수 있다 — 자기장, 특히 기울기는 거리에 따라 급격히 약해지며, 이것이 몸속 깊은 곳이나 코일에서 먼 곳에서의 힘을 제한한다
• 고정된 자석으로 물체를 공중에 안정적으로 붙잡아 둘 수 있다 — 언쇼 정리가 정적 자기장에 대해 이를 배제하므로, 안정적인 위치 유지에는 피드백 제어나 다른 안정화 효과가 필요하다

알아야 할 사람

• 의료 로보틱스 및 마이크로로보틱스 연구자
• 코일 시스템과 자기 조작 장치를 설계하는 엔지니어
• 자성 재료를 다루는 소프트 로보틱스 연구자
• 캡슐 및 카테터 장치를 다루는 생체의공학 엔지니어

관련 기술

• 헬름홀츠 코일(Helmholtz Coils)
• 전자기 내비게이션 시스템(Electromagnetic Navigation Systems)
• MRI 경사 코일(MRI Gradient Coils)
• 네오디뮴 영구 자석(Neodymium Permanent Magnets)
• 홀 효과 자력계(Hall-Effect Magnetometers)

관련 용어

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

관련 프로젝트

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