Das Magnetfeld dreht die einzelnen Schrauben, die die Bewegung der Arme, Beine und des Kopfes des Spielzeugs durch die Seile steuern

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Roboter fernzusteuern. Entweder versuchen Sie, es mit einem autonomen Antriebssystem und Navigationssystem auszustatten (sehr schwierig), oder Sie bauen einen sehr kleinen Roboter, der sich in einem Magnetfeld bewegt. Der Roboter wird von großen externen Magneten gesteuert. Die Fernsteuerung solcher Geräte ist in der Medizin besonders gefragt, zumal Geräte mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern einer magnetischen Steuerung unterliegen. Experimente mit der Platzierung eines entfernten Katheters im Herzen und der Steuerung einer Videosonde im Magen-Darm-Trakt wurden bereits abgeschlossen. Das enorme Potenzial von Mikromaschinen für die Abgabe von Arzneimitteln an bestimmte menschliche Organe.

Viele vielversprechende Anwendungen der Magnetsteuerung erfordern jedoch die koordinierte Arbeit nicht eines, sondern vieler Mikroroboter gleichzeitig. Bisher konnten Wissenschaftler nur die gleichzeitige Bewegung identischer Roboter in einem homogenen Feld erreichen, nicht jedoch willkürliche Teilnehmer am Schwarm. Ja, es gab eine Reihe von Experimenten zur individuellen Steuerung von Robotern aus einem Schwarm. In allen Fällen müssen sich diese Roboter jedoch in ihren magnetischen Eigenschaften oder im Design voneinander unterscheiden. Deshalb ist die wissenschaftliche Arbeit von Physikern aus dem Forschungslabor der Philips GmbH Innovative Technologies sehr interessant. Sie lernten, das Magnetfeld an beliebigen Stellen zu drehen - und führten erfolgreich Experimente durch, um einzelne nebeneinander angeordnete Schrauben festzuziehen und zu lösen.

Auf den ersten Blick ist nicht klar, wie das Verdrehen beliebiger Schrauben mit der Steuerung eines Roboterschwarms im menschlichen Körper verbunden ist. Wenn Sie jedoch darüber nachdenken, sind diese Aufgaben sehr eng. Wenn Sie das Magnetfeld so genau steuern, können Sie in bestimmten Bereichen des menschlichen Körpers eine magnetische Traktion erzeugen - genau dort, wo sich das Magnetgerät befindet, das in Bewegung gesetzt werden muss.

Einzelne Schrauben mit einem Magnetfeld festziehen

Arbeitsprinzip

Die folgende Abbildung zeigt einen Feldapplikator mit einem Bohrungsdurchmesser von 12 cm. Er besteht aus drei Paaren von Kupferspulen, die entlang drei Raumachsen montiert sind, und zylindrischen Eisenkernen, um das Feld entlang der z-Achse zu verstärken. Das Design ähnelt im Prinzip einem MPI-Gerät (Magnetic Particle Imaging), aber hier ist die entgegengesetzte Aufgabe gestellt - nicht die Position magnetischer Partikel mit hoher Genauigkeit zu erfassen, sondern diese Objekte mit derselben hohen Genauigkeit zu steuern.



Wenn ein Strom gleicher Amplitude entlang zweier Spulen fließt, entsteht entlang der Achsen ein räumlich gleichmäßiges Feld, wie bei Helmholtz-Ringen . Durch die Kombination von drei Spulenpaaren können Sie gleichmäßige dynamische Felder mit beliebiger Ausrichtung erzeugen. Wenn Ströme gleicher Amplitude in entgegengesetzte Richtungen fließen, funktioniert ein Spulenpaar wie eine Maxwell-Spule und bildet ein Gradientenfeld (in der Abbildung oben rechts und in der Abbildung unten).


Maxwells ideale Spulenkonfiguration

Bei der Durchführung eines konzeptionellen Experiments haben Wissenschaftler bewiesen, dass sie die Schrauben, die sich buchstäblich an beliebigen Stellen im Feldgenerator befinden, festziehen können.

Die Abbildung zeigt, wie die Richtung des Magnetisierungsvektors berechnet und ein Drehmoment erzeugt wird. Mit der Physik können Sie alle Schrauben gleichzeitig oder jede Schraube einzeln festziehen / herausdrehen.



Wissenschaftler glauben, dass das entwickelte Gerät bereits in der Medizin eingesetzt werden kann. Zum Beispiel zum Festziehen und Lösen von Schrauben, die in Kapseln oder Implantaten platziert sind, die fest am umgebenden Gewebe des menschlichen Körpers befestigt sind. Wenn die Kapsel verriegelt ist, dreht sie sich nicht mit der Schraube. Darüber hinaus kann die Fixierungsstärke der Kapsel so hoch sein, dass Sie Schrauben oder Schrauben direkt in das Gewebe des menschlichen Körpers schrauben können. Zum Beispiel im Knochen.

Möglicherweise kann das Verdrehen der Vorrichtung mit einem Magnetfeld für die Bewegung von Mikrorobotern in Körperflüssigkeiten angewendet werden. In diesem Fall erhalten Ärzte die dringend benötigte selektive Kontrolle über einen Schwarm von Mikrorobotern im menschlichen Körper.

Darüber hinaus können komplexere Maschinen im menschlichen Körper durch Drehen einzelner Steuerschrauben gesteuert werden, wie im KDPV am Beispiel des Lego-Spielzeugs gezeigt (Abbildung aus einem wissenschaftlichen Artikel). Es können einige komplexe Implantate im Körper sein. Möglicherweise wird in der Orthopädie die Form der Implantate angepasst, ohne dass Motoren verwendet oder Batterien in das Gerät eingelegt werden müssen. Wissenschaftler schlagen die praktische Verwendung der Fernrotation der Schrauben in Vorrichtungen zur Verlängerung der Gliedmaßen, zur Steuerung von Mikropumpen, zur Fernfreisetzung von Arzneimitteln und zur genauen Einführung von radioaktiven Körnern vom Typ ¹⁰³ Pd in ​​Krebstumoren vor (Kontaktstrahlentherapie).

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 15. Februar 2017 in der Zeitschrift Science Robotics (doi: 10.1126 / scirobotics.aal2845) veröffentlicht.