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Magnetic actuation

  • Também chamado: magnetic manipulation, magnetic navigation
  • Categoria: Actuation & drivetrain › Motors
  • Tags: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation

Mover um objeto magnético com forças e torques de campos magnéticos gerados externamente, usado para guiar cápsulas, cateteres e microrrobôs sem fios nem motores embarcados.

Definição

A atuação magnética (magnetic actuation) move um corpo que contém um ímã permanente ou um material magnetizável aplicando um campo magnético de fora dele. O campo age sobre o momento magnético do corpo de duas maneiras. Um torque, igual ao produto vetorial do momento pelo campo, gira o momento em direção à direção do campo e precisa apenas de um campo, mesmo uniforme. Uma força exige um gradiente espacial do campo: o corpo é puxado para as regiões em que a componente do campo ao longo do seu momento é mais forte. Um campo uniforme, portanto, gira um ímã, mas não o puxa, e sistemas que precisam empurrar ou puxar um objeto têm de criar gradientes.

O campo pode vir de várias fontes. Ímãs permanentes carregados por um braço robótico dão campos fortes a baixo custo, mas precisam ser movidos para mudar o campo. Sistemas de bobinas eletromagnéticas, de simples pares de Helmholtz que criam campos uniformes para torque a arranjos de várias bobinas que moldam tanto o campo quanto o gradiente, permitem controle elétrico rápido. Scanners clínicos de ressonância magnética (RM) podem servir como atuadores: o forte campo principal magnetiza um corpo ferromagnético até a saturação, e as bobinas de gradiente do scanner então aplicam uma força proporcional ao momento magnético do corpo e ao gradiente, geralmente intercalada com a aquisição de imagens, porque as mesmas bobinas são necessárias para as duas coisas. Campos rotativos também podem girar microrrobôs helicoidais para que nadem como um saca-rolhas.

A física impõe limites rígidos. A força escala com o volume de material magnético, então robôs pequenos recebem forças pequenas, e o campo de um ímã cai acentuadamente com a distância, e seu gradiente ainda mais rápido, por isso atuar no fundo do corpo ou em um espaço de trabalho grande é difícil. O teorema de Earnshaw descarta a levitação estável apenas com campos estáticos, então manter um corpo no lugar geralmente exige controle por realimentação. A atuação magnética se distingue dos motores elétricos, que também dependem de forças magnéticas, mas dentro de um único dispositivo: aqui a fonte do campo e o corpo em movimento são separados e o corpo não tem fios.

Por que importa

Campos magnéticos atravessam tecidos, plástico e muitos outros materiais, então a atuação magnética consegue mover dispositivos onde fios, motores ou baterias não cabem. Ela é a base de boa parte da microrrobótica médica, dos cateteres direcionáveis e da endoscopia por cápsula, e dos robôs macios programados magneticamente.

Principais aplicações

  • Direcionamento de cápsulas endoscópicas e de cápsulas de liberação de fármacos
  • Navegação magnética de cateteres e fios-guia
  • Microrrobôs sem fios, incluindo nadadores helicoidais
  • Robôs macios e garras programados magneticamente
  • Propulsão e rastreamento de pequenos dispositivos por RM

Na prática

Uma equipe de pesquisa guia uma cápsula em escala milimétrica por um canal cheio de fluido que faz o papel de um vaso sanguíneo. Ela usa um arranjo de bobinas eletromagnéticas ao redor do espaço de trabalho, calibrado mapeando o campo em muitos pontos com um magnetômetro. Uma câmera ou um sistema de imagem rastreia a cápsula, e um controlador calcula as correntes das bobinas que produzem o gradiente necessário para empurrar a cápsula em direção ao próximo ponto de passagem, enquanto uma componente uniforme mantém seu ímã alinhado com o canal. Como a força disponível cai rapidamente com a distância às bobinas, a equipe verifica que o arrasto e a gravidade sobre a cápsula ficam abaixo da força que as bobinas conseguem aplicar em todos os pontos da rota planejada.

Equívocos comuns

  • Um campo uniforme forte puxa um ímã em direção à fonte — um campo uniforme só produz torque; uma força resultante exige um gradiente do campo
  • A intensidade do campo pode compensar a distância — os campos, e especialmente os gradientes, caem acentuadamente com a distância, o que limita a força no fundo do corpo ou longe das bobinas
  • Ímãs fixos podem manter um objeto estável no ar — o teorema de Earnshaw descarta isso para campos estáticos, então o posicionamento estável exige controle por realimentação ou outro efeito estabilizador

Quem deve saber

  • Pesquisadores de robótica médica e microrrobótica
  • Engenheiros que projetam sistemas de bobinas e manipuladores magnéticos
  • Pesquisadores de robótica macia que trabalham com materiais magnéticos
  • Engenheiros biomédicos que trabalham com dispositivos de cápsula e cateter

Tecnologias relacionadas

  • Bobinas de Helmholtz (Helmholtz Coils)
  • Sistemas de navegação eletromagnética (Electromagnetic Navigation Systems)
  • Bobinas de gradiente de RM (MRI Gradient Coils)
  • Ímãs permanentes de neodímio (Neodymium Permanent Magnets)
  • Magnetômetros de efeito Hall (Hall-Effect Magnetometers)

Termos relacionados

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

Projetos relacionados

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

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