Magnetic actuation
- 又稱: magnetic manipulation, magnetic navigation
- 類別: Actuation & drivetrain › Motors
- 標籤: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation
利用外部產生之磁場所施加的力與力矩來移動磁性物體，用於在沒有導線或機載馬達的情況下，操控無繫線的膠囊、導管與微型機器人。
定義
磁致動（magnetic actuation）藉由從外部施加磁場，驅動一個內含永久磁鐵或可磁化材料的物體。磁場以兩種方式作用於物體的磁矩。力矩等於磁矩與磁場的外積，它讓磁矩轉向磁場方向，只需要有磁場就行，即使是均勻磁場也可以。力則需要磁場的空間梯度：物體會被拉向磁場沿其磁矩方向的分量較強的區域。因此，均勻磁場能讓磁鐵轉動，卻不會拉動它；需要推或拉物體的系統必須產生梯度。
磁場可以來自幾種來源。由機器手臂攜帶的永久磁鐵能以低成本提供強磁場，但必須移動磁鐵才能改變磁場。電磁線圈系統，從產生均勻磁場以施加力矩的簡單亥姆霍茲線圈對，到能同時塑造磁場與梯度的多線圈配置，都能進行快速的電氣控制。臨床 MRI 掃描儀可以充當致動器：強大的主磁場把鐵磁物體磁化到飽和，接著掃描儀的梯度線圈施加一個與物體磁矩及梯度成正比的力；由於成像與致動都需要這些線圈，致動通常與成像交替進行。旋轉磁場也能讓螺旋狀微型機器人自轉，使它們像開瓶器一樣游動。
物理定律設下了硬性限制。力與磁性材料的體積成比例，所以小型機器人受到的力很小；磁鐵的磁場隨距離急遽衰減，其梯度衰減得更快，因此要在身體深處或大範圍的工作空間中致動很困難。Earnshaw 定理排除了僅靠靜態磁場達成穩定懸浮的可能，因此要讓物體停在原位，一般需要回授控制。磁致動不同於電動馬達：馬達同樣依靠磁力，但發生在單一裝置內部；而在這裡，磁場源與移動的物體是分開的，物體也不需要繫線。
為何重要
磁場能穿透組織、塑膠與許多其他材料，因此磁致動可以在導線、馬達或電池放不進去的地方移動裝置。它是醫療微型機器人、可操控導管與膠囊內視鏡中相當大一部分技術的基礎，也是磁編程軟性機器人的基礎。
主要應用
- 操控膠囊內視鏡與藥物遞送膠囊
- 導管與導引線的磁導航
- 無繫線微型機器人，包括螺旋游動器
- 磁編程軟性機器人與夾爪
- 以 MRI 為基礎的小型裝置推進與追蹤
實際應用
一個研究團隊操控一顆毫米級的膠囊，讓它通過一條充滿液體、用來模擬血管的通道。他們在工作空間周圍配置一組電磁線圈，並用磁力計在許多點上量測磁場分布來完成校正。一台攝影機或一套成像系統追蹤膠囊，控制器計算出能產生所需梯度的線圈電流，把膠囊推向下一個航點，同時由一個均勻分量讓膠囊的磁鐵與通道保持對齊。由於可用的力會隨著與線圈的距離增加而迅速衰減，他們會確認在規劃路線的每一處，膠囊所受的阻力與重力都低於線圈能提供的力。
常見誤解
- 強大的均勻磁場會把磁鐵拉向磁場源 — 均勻磁場只產生力矩；淨力需要磁場梯度
- 磁場強度可以彌補距離 — 磁場，尤其是梯度，會隨距離急遽衰減，這限制了身體深處或遠離線圈處的力
- 固定的磁鐵可以讓物體穩定地懸在半空中 — Earnshaw 定理對靜態磁場排除了這種可能，因此穩定定位需要回授控制或其他穩定效應
誰需要了解
- 醫療機器人與微型機器人研究人員
- 設計線圈系統與磁操控裝置的工程師
- 使用磁性材料的軟性機器人研究人員
- 從事膠囊與導管器材研究的生醫工程師
相關技術
- 亥姆霍茲線圈（Helmholtz Coils）
- 電磁導航系統（Electromagnetic Navigation Systems）
- MRI 梯度線圈（MRI Gradient Coils）
- 釹永久磁鐵（Neodymium Permanent Magnets）
- 霍爾效應磁力計（Hall-Effect Magnetometers）
相關術語
相關專案
- da Vinci Research Kit (dVRK): Open electronics, firmware and software to control retired da Vinci surgical robots