Elektromagnetisches Spulensystem Mikroroboter bewegen, ohne sie zu sehen

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Forscher der Southern Methodist University haben ein Spuleninstrument entwickelt, mit dem sich magnetische Mikroroboter ohne ständige visuelle Verfolgung steuern lassen. Das eröffnet neue Möglichkeiten für biomedizinische und andere Anwendungen.

Forscher der Southern Methodist University (SMU) haben ein elektromagnetisches Spulensystem entwickelt, mit dem Mikroroboter gesteuert werden können, ohne dass ihre Position ständig visuell verfolgt werden muss – ein bedeutender Fortschritt, der den Einsatz von Mikrorobotern im Körperinneren, in industriellen Rohrleitungen und an anderen Orten ermöglichen könnte, die mit einer Kamera nicht immer sichtbar sind.

„In der Praxis können bildgebende Verfahren komplex, langsam, kostspielig oder unzuverlässig sein“, sagt der leitende Erfinder Sangwon Lee, Postdoktorand am BAST Lab der SMU. „Indem die Notwendigkeit der Positionsverfolgung reduziert oder ganz beseitigt wird, kann das System einfacher, robuster und praktischer für solche schwer einsehbaren Umgebungen gestaltet werden, während es dennoch kontrollierte Bewegungen ermöglicht.“

Das Gerät erzeugt einen gleichmäßigen magnetischen Feldgradienten, der auf die Mikroroboter eine konstante Kraft ausübt, unabhängig davon, wo sie sich im Arbeitsbereich befinden. Dadurch entfallen ständige Positionsaktualisierungen, die bislang ein Hindernis für Steuerungssysteme von Mikrorobotern darstellten, erklärt Miterfinder MinJun Kim. Kim ist Inhaber des Robert-C.-Womack-Lehrstuhls an der Lyle School of Engineering der SMU und leitender Forscher am BAST Lab. Er sagt, dieser Fortschritt sei besonders bedeutsam für biomedizinische Anwendungen, bei denen Mikroroboter – also winzige Roboter – potenziell Medikamente an genau definierte Stellen abgeben, minimalinvasive Eingriffe vornehmen oder Diagnosen in Körperregionen durchführen könnten, die mit herkömmlichen Instrumenten nur schwer zugänglich sind.

Muhammad I. Azeez, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der SMU, sowie Yasin Cagatay Duygu, der 2026 an der SMU promoviert, waren ebenfalls am Bau des Geräts beteiligt, das als dreiachsiges Helmholtz-Spulen-Instrument bekannt ist.

Steuerung von Mikrorobotern ohne Kameras

Man stelle sich ein Magnetfeldgefälle wie einen Hang vor: Ein steilerer Hang erzeugt eine stärkere „Anziehungskraft“ oder „Magnetkraft“ auf den Mikroroboter. In vielen bestehenden Spulensystemen ist diese Steigung nicht überall gleich – sie ändert sich je nachdem, wo sich der Mikroroboter gerade befindet, so Lee. Das bedeutet, dass man die genaue Position des Mikroroboters kennen muss, um die richtige Magnetkraft anzuwenden und ihn an die exakte Position zu bewegen.

Das neue System sorgt für ein einheitlicheres Gefälle im gesamten Arbeitsbereich, sodass die Mikroroboter unabhängig von ihrer Position gleichbleibenden Magnetkräften ausgesetzt sind. Dadurch muss das System die Position der Mikroroboter nicht mehr ständig verfolgen und entsprechende Anpassungen vornehmen.

Um dreidimensionale Magnetfelder zu erzeugen, verwendeten die Forscher sechs separate Spulen, die in drei Paaren angeordnet waren (ein Paar pro Achse: X, Y und Z). Dieses Gerät wurde anschließend mit einem dreiachsigen Magnetometer – einem Gerät, das Magnetfelder in allen drei Richtungen misst – kalibriert, um sicherzustellen, dass das System genau die beabsichtigten Magnetfelder erzeugte.

Um den richtigen Strom für jede Spule zu ermitteln, wandten die Forscher eine intelligente Lösungsstrategie namens Tikhonov-Regularisierung an. Dies trug dazu bei, Fehler zu vermeiden, die durch geringfügige Fehlausrichtungen der Spulen und Singularitätsprobleme des Helmholtz-Spulensystems verursacht wurden, so Kim.

Um schließlich zu prüfen, wie gut das Gerät funktionierte, nutzten sie ein Computersimulationstool namens Comsol, um das Verhalten des Magnetfelds im Inneren des Systems vorherzusagen. Die Ergebnisse stimmten mit einer Genauigkeit von 99 Prozent mit den Tests unter realen Bedingungen überein, berichteten die Forscher in einer Studie, die in der Fachzeitschrift IEEE Access veröffentlicht wurde.

Nachdem das Spulensystem validiert wurde, untersucht das Forschungsteam nun Methoden zur Positionsbestimmung von Mikrorobotern unter Verwendung anderer Sensoren als Kameras.

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