Wissenschaftler der Southern Methodist University entwickeln magnetisches System zur Steuerung von Mikrorobotern

Wissenschaftler der Southern Methodist University haben bedeutende Fortschritte im Bereich der Robotik erzielt, indem sie ein neues magnetisches System entwickelt haben, das die Steuerung von Mikrorobotern ohne ständige Positionskontrolle ermöglicht. Diese Innovation könnte einen echten Durchbruch in Umgebungen darstellen, in denen die Sicht eingeschränkt ist, wie beispielsweise in medizinischen oder industriellen Bereichen.

Wie in der Fachzeitschrift Interesting Engineering berichtet, erfordern traditionelle Methoden zur Steuerung von Mikrorobotern in der Regel den Einsatz von Kameras oder anderen Visualisierungssystemen, die eine Echtzeitüberwachung ihrer Bewegungen ermöglichen. Solche Ansätze können jedoch langsam, kostspielig oder unzuverlässig sein, insbesondere in Situationen, in denen es schwierig ist, etwas zu sehen, wie zum Beispiel im Inneren des menschlichen Körpers oder in Rohren.

Das neue System, das von den Wissenschaftlern entwickelt wurde, beseitigt diese Abhängigkeit von Visualisierung. Es erzeugt ein gleichmäßiges Magnetfeld, das Mikroroboter im gesamten Arbeitsbereich unabhängig von ihrer Position gleichmäßig beeinflusst. Dies vereinfacht den Steuerungsprozess erheblich und macht ihn zuverlässiger und effizienter.

Einer der Entwickler des Systems, Sanwon Lee, bemerkte, dass Visualisierungssysteme in der Praxis oft komplex, langsam, teuer oder unzuverlässig sind. Er betonte, dass der Verzicht auf ständige Überwachung das System einfacher und für den Einsatz in Umgebungen geeignet macht, in denen es schwierig ist, etwas zu sehen, während gleichzeitig die Möglichkeit erhalten bleibt, die Bewegung der Mikroroboter präzise zu steuern.

Das System funktioniert ohne die Notwendigkeit, die Stärke in Abhängigkeit von der Position des Roboters ständig anzupassen. Stattdessen sorgt es für eine einheitliche magnetische Wirkung im gesamten Feld, wodurch die Notwendigkeit ständiger Aktualisierungen der Koordinatendaten entfällt. Dies vereinfacht die Steuerung der Mikroroboter erheblich.

Die Konstruktion der Anlage besteht aus sechs Spulen, die paarweise entlang der drei Achsen – X, Y und Z – angeordnet sind. Diese Spulen erzeugen ein Magnetfeld in drei Dimensionen, das eine präzise Kontrolle der Bewegungen der Mikroroboter ermöglicht. Um die Genauigkeit des Systems zu gewährleisten, kalibrierten die Forscher es mithilfe eines dreidimensionalen Magnetometers.

Um Fehler aufgrund ungenauer Positionierung der Elemente zu vermeiden, wandten die Wissenschaftler die mathematische Regularisierungsmethode von Tikhonov an, die hilft, den Strom für jede Spule korrekt zu berechnen. Dies ermöglichte eine hohe Präzision bei der Steuerung der Mikroroboter.

Die Funktionsweise des neuen Systems wurde sowohl in Simulationen als auch in realen Experimenten getestet. Die Ergebnisse zeigten eine Übereinstimmung von 99 % zwischen dem prognostizierten und dem tatsächlichen Verhalten des Magnetfelds, was die Zuverlässigkeit der Entwicklung bestätigte. Dieses System erhielt den Namen dreidimensionales Helmholtz-Spulensystem.

Vor den Tests des Verhaltens des Systems wurde es mithilfe der Software COMSOL modelliert und anschließend praktisch getestet. Die Kombination aus Modellierung und Experimenten zeigte, dass das System Mikroroboter stabil steuern kann, ohne dass eine ständige Rückmeldung von Kameras erforderlich ist.

Die Möglichkeit, Mikroroboter ohne visuelle Kontrolle zu steuern, eröffnet neue Perspektiven in der Medizin und Industrie. Insbesondere könnten solche Roboter zur gezielten Medikamentenabgabe, zur Durchführung minimalinvasiver Eingriffe oder zur Diagnostik an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden.

Darüber hinaus kann das System unter Bedingungen arbeiten, in denen Kameras ineffektiv sind, wie beispielsweise in undurchsichtigen Flüssigkeiten oder engen, geschlossenen Räumen. Dies macht es äußerst wertvoll für eine Vielzahl von Anwendungen.

Derzeit suchen die Forscher aktiv nach alternativen Methoden zur Bestimmung der Position von Mikrorobotern ohne den Einsatz von Kameras, was die Steuerung unter schwierigen Bedingungen weiter verbessern könnte. Diese Arbeit verspricht neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Technologien im Bereich der Robotik.