Новая магнитная система позволяет микророботам двигаться без камер и систем слежения
Учёные из Южного методистского университета (Southern Methodist University) разработали новую систему магнитных катушек, которая позволяет управлять микророботами без необходимости непрерывного отслеживания их положения. Это достижение решает давнюю проблему, существующую в данной области. Большинство существующих систем для микророботов полагаются на камеры или инструменты визуализации для мониторинга движения в реальном времени. Эти методы могут быть медленными, дорогостоящими или ненадёжными, особенно в условиях ограниченной видимости, например, внутри человеческого тела или в промышленных трубопроводах.
Новая система устраняет эту зависимость за счёт генерации однородного градиента магнитного поля, который прикладывает постоянную силу к микророботам, независимо от того, где именно в рабочем пространстве они находятся. Ведущий изобретатель Сангвон Ли пояснил, что в реальных условиях методы визуализации могут быть сложными, медленными, дорогими или ненадёжными. Он добавил, что, уменьшая или полностью устраняя необходимость в отслеживании положения, система становится проще, надёжнее и практичнее для использования в труднодоступных для обзора средах, при этом обеспечивая контролируемое движение.
Вместо того чтобы постоянно корректировать силы в зависимости от положения робота, система гарантирует, что микророботы испытывают одинаковое магнитное притяжение во всём поле. Это устраняет необходимость в непрерывном обновлении данных о позиции, которое традиционно считалось критически важным для точной навигации. Установка использует шесть катушек, расположенных тремя парами вдоль осей X, Y и Z, для создания трёхмерных магнитных полей. Для обеспечения точности система была откалибрована с помощью триаксиального магнитометра. Чтобы точно настроить производительность, исследователи применили математический подход, известный как тихоновская регуляризация, для расчёта правильного тока для каждой катушки и избежания ошибок, вызванных несоосностью.
Затем команда проверила систему с помощью симуляций и испытаний в реальных условиях. Результаты показали 99-процентное совпадение между предсказанным и наблюдаемым поведением магнитного поля, что подтвердило надёжность системы. Данная система, известная как триаксиальный инструмент с катушками Гельмгольца, была построена с использованием шести катушек, расположенных тремя перпендикулярными парами для создания управляемых магнитных полей во всех направлениях. Исследователи использовали триаксиальный магнитометр для калибровки установки и обеспечения однородности магнитного поля во всём рабочем пространстве. Они также полагались на симуляции в среде COMSOL, чтобы смоделировать поведение поля перед тестированием в реальных условиях. Такое сочетание моделирования и экспериментов помогло подтвердить, что система может надёжно направлять микророботов без необходимости постоянной обратной связи от систем визуализации.
Способность управлять микророботами без визуального отслеживания открывает новые возможности в медицине и промышленности. Сангвон Ли отметил, что это достижение особенно важно для биомедицинских применений, где микророботы потенциально могут доставлять лекарства в точные места, выполнять малоинвазивные процедуры или проводить диагностику в тех областях тела, которые труднодоступны для традиционных инструментов. Поскольку система не полагается на камеры, она может работать в средах, где визуализация невозможна, например, внутри непрозрачных жидкостей или узких замкнутых структур. В настоящее время исследователи изучают альтернативные способы оценки положения микророботов с использованием датчиков, отличных от камер, что может ещё больше улучшить управление в сложных средах. Эта разработка знаменует собой сдвиг от систем, сильно зависящих от отслеживания, к более автономным методам управления, что потенциально упрощает развёртывание микророботов в реальных условиях.
Исследование было в журнале IEEE Access.