Magnetic actuation
- 又称: magnetic manipulation, magnetic navigation
- 类别: Actuation & drivetrain › Motors
- 标签: magnetics, microrobotics, medical-robotics, untethered-robots, actuation
利用外部产生的磁场所施加的力和力矩来移动磁性物体，用于在没有导线或机载电机的情况下操控无系绳的胶囊、导管和微型机器人。
定义
磁驱动（magnetic actuation）通过从外部施加磁场，来驱动一个内含永磁体或可磁化材料的物体。磁场以两种方式作用于物体的磁矩。力矩等于磁矩与磁场的叉积，它使磁矩转向磁场方向，只需要有磁场即可，哪怕是均匀磁场。力则需要磁场的空间梯度：物体会被拉向磁场沿其磁矩方向的分量更强的区域。因此，均匀磁场能使磁体转动，却不会拉动它；需要推或拉物体的系统必须产生梯度。
磁场可以来自几种来源。由机械臂携带的永磁体能以低成本提供强磁场，但必须移动它们才能改变磁场。电磁线圈系统，从产生均匀磁场以施加力矩的简单亥姆霍兹线圈对，到能同时塑造磁场和梯度的多线圈布置，都允许快速的电气控制。临床 MRI 扫描仪可以充当执行器：强大的主磁场把铁磁物体磁化到饱和，然后扫描仪的梯度线圈施加一个与物体磁矩和梯度成正比的力；由于成像和驱动都需要这些线圈，驱动通常与成像交替进行。旋转磁场还可以使螺旋形微型机器人自转，让它们像开瓶器一样游动。
物理规律设定了硬性限制。力与磁性材料的体积成比例，所以小型机器人受到的力很小；磁体的磁场随距离急剧衰减，其梯度衰减得更快，因此在身体深处或在大的工作空间中进行驱动很困难。Earnshaw 定理排除了仅靠静态磁场实现稳定悬浮的可能，因此要把物体保持在原位，一般需要反馈控制。磁驱动不同于电机：电机同样依靠磁力，但发生在单个装置内部；而在这里，磁场源与运动物体是分开的，物体是无系绳的。
为何重要
磁场能穿过组织、塑料和许多其他材料，因此磁驱动可以在导线、电机或电池放不进去的地方移动装置。它是医疗微型机器人、可操控导管和胶囊内镜中很大一部分技术的基础，也是磁编程软体机器人的基础。
主要应用
- 操控胶囊内镜和给药胶囊
- 导管和导丝的磁导航
- 无系绳微型机器人，包括螺旋游动器
- 磁编程软体机器人和夹爪
- 基于 MRI 的小型装置推进与跟踪
实际应用
一个研究团队操控一枚毫米级胶囊，让它穿过一条充满液体、用来模拟血管的通道。他们在工作空间周围布置了一组电磁线圈，并用磁力计在许多点上测绘磁场来完成标定。一台相机或一套成像系统跟踪胶囊，控制器计算出能产生所需梯度的线圈电流，把胶囊推向下一个航点，同时由一个均匀分量让胶囊内的磁体与通道保持对齐。由于可用的力随着与线圈距离的增加而迅速衰减，他们会检查沿计划路线的每一处，胶囊所受的阻力和重力都低于线圈能够提供的力。
常见误解
- 强大的均匀磁场会把磁体拉向磁场源 — 均匀磁场只产生力矩；净力需要磁场梯度
- 磁场强度可以弥补距离 — 磁场，尤其是梯度，会随距离急剧衰减，这限制了在身体深处或远离线圈处的力
- 固定的磁体可以把物体稳定地悬在半空中 — Earnshaw 定理对静态磁场排除了这种可能，因此稳定定位需要反馈控制或其他稳定效应
谁需要了解
- 医疗机器人和微型机器人研究人员
- 设计线圈系统和磁操控装置的工程师
- 使用磁性材料的软体机器人研究人员
- 从事胶囊和导管器械研究的生物医学工程师
相关技术
- 亥姆霍兹线圈（Helmholtz Coils）
- 电磁导航系统（Electromagnetic Navigation Systems）
- MRI 梯度线圈（MRI Gradient Coils）
- 钕永磁体（Neodymium Permanent Magnets）
- 霍尔效应磁力计（Hall-Effect Magnetometers）
相关术语
相关项目
- da Vinci Research Kit (dVRK): Open electronics, firmware and software to control retired da Vinci surgical robots