16 февраля в 17:47

Физики научились закручивать винты магнитным полем


Магнитное поле вращает отдельные винты, которые через верёвочки управляют движением рук, ног и головы игрушки

Есть два способа для дистанционного управления роботом. Или вы пробуете оснастить его автономной двигательной установкой и системой навигации (очень сложно), или делаете очень маленького робота, который двигается в магнитном поле. Робот управляется с помощью больших внешних магнитов. Дистанционное управление такими устройствами особенно востребовано в медицине, тем более что магнитному управлению хорошо подчиняются устройства размером даже в несколько микрометров. Уже прошли эксперименты с дистанционным проведением катетера в сердце и управлением видеозондом в желудочно-кишечном тракте. Огромный потенциал у микромашин для доставки лекарств в конкретные органы человека.

Однако многие перспективные применения магнитного управления требуют скоординированной работы не одного, а многих микророботов одновременно. До сих пор учёные смогли добиться только одновременного движения одинаковых роботов в однородном поле, но не произвольных участников роя. Да, был ряд экспериментов по индивидуальному контролю роботов из роя. Но во всех случаях эти роботы должны отличаться друг от друга магнитными свойствами или по конструкции. Вот почему очень интересна научная работа физиков из исследовательской лаборатории Philips GmbH Innovative Technologies. Они научились закручивать магнитное поле в произвольных местах — и успешно провели эксперименты по закручиванию и откручиванию отдельных винтов, расположенных рядом с друг другом.

На первый взгляд непонятно, как закручивание произвольных винтов связано с управлением роем роботов в человеческом теле. Однако если подумать, то эти задачи очень близки. Ведь управление магнитным полем с такой точностью позволяет создавать магнитную тягу в конкретных участках человеческого тела — именно там, где находится магнитное устройство, которое нужно привести в движение.

Закручивание отдельных винтов с помощью магнитного поля


Принцип работы


На иллюстрации внизу показан аппликатор поля с диаметром расточки 12 см. Он состоит из трёх пар медных катушек, установленным по трём пространственным осям, и цилиндрических железных сердечников для усиления поля по оси z. Конструкция чем-то похожа по своему принципу на устройство для магнитно-порошковой томографии (magnetic particle imaging, MPI), только здесь ставится противоположная задача — не детектирование с высокой точностью местоположения магнитных частиц, а управление этими объектами с такой же высокой точностью.



Если по двум катушкам параллельно протекает ток одинаковой амплитуды, то вдоль осей возникает пространственно однородное поле, как в кольцах Гельмгольца. Комбинация трёх пар катушек позволяет генерировать однородные динамические поля произвольной ориентации. Если токи одинаковой амплитуды текут в противоположных направлениях, то пара катушек работает как катушка Максвелла, образуя градиентное поле (на иллюстрации вверху справа и на иллюстрации внизу).


Конфигурация идеальной катушки Максвелла

При проведении концептуального эксперимента учёные доказали, что могут закручивать винты, расположенные буквально в произвольных местах внутри генератора поля.

На иллюстрации показано, как рассчитывается направление вектора намагничивания и генерируется крутящий момент. Физика позволяет закручивать/откручивать все винты одновременно или каждый винт по отдельности.



Учёные полагают, что разработанное устройство можно уже сейчас применять в медицине. Например, для закручивания и откручивания винтов, которые размещаются внутри капсул или имплантатов, крепко зафиксированных окружающими тканями человеческого тела. Если капсула зафиксирована, то не будет вращаться вместе с винтом. Более того, сила фиксации капсулы может быть настолько высока, что позволит вкручивать винты или шурупы непосредственно в ткани человеческого организма. Например, в кости.

Возможно, закручивание устройства магнитным полем может быть применимо для движения микророботов в жидкостях организма. В этом случае врачи получат столь необходимое селективное управление роем микророботов в человеческом теле.

Кроме того, более сложными машинами в человеческом организме можно управлять, вращая отдельные управляющие винты, как показано на КДПВ на примере игрушки «Лего» (иллюстрация из научной работы). Это могут быть какие-то сложные имплантаты внутри тела. Возможно, в ортопедии форму имплантатов будут корректировать без необходимости применять моторы или устанавливать элементы питания внутри устройства. Учёные предполагают практическую пользу дистанционного вращения винтов в устройствах для удлинения конечностей, для контроля микронасосов, для дистанционного выпуска лекарств и для точного введения радиоактивных зёрен типа 103Pd внутрь раковых опухолей (контактная лучевая терапия).

Научная статья опубликована 15 февраля 2017 года в журнале Science Robotics (doi: 10.1126/scirobotics.aal2845).
Анатолий Ализар @alizar
карма
667,3
рейтинг 684,9
Редактор
Самое читаемое

Комментарии (34)

  • –2
    Теперь искусственному сердцу не надо иметь ни собственный двигатель, ни проводки наружу.
    • +4
      Ага, но жить придётся в внутри специально построенной магнитной катушки
      • +2
        Где то я это уже видел.


        И не понятно, при чем здесь эта технология? Давно есть беспроводные зарядки.
  • 0
    -_- Кажется я это уже видел в каком-то фильме.
    • 0
      пила?
      • +1
        Подозреваю, что имелась в виду отвёртка из Doctor Who. :)
        • 0

          Миссия невыполнима, конечно же!

        • 0
          Вторая реализация звуковой отвёртки.
    • 0
      близкие контакты третьей степени — когда за мелким прилетели, вот в детстве жутко было..,
  • +8
    Чую приборы в будущем не то, что починить, но даже и разобрать не получится.
    • 0
      Всегда можно заказать пяток магнитных отвёрток у китайцев на али :)
      • 0
        К сожалению, капля клея на резьбу победит их не напрягаясь. Да и прочих способов хватает.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +4
      Когда-то на выставке в Ганновере видел мебельную фурнитуру, что-то вроде специальных шурупов, которые закручивались с помощью магнитного поля, которое создавал специальный прибор.

      Преимущество было в том, что можно сделать и собрать мебель, которая вообще не имела никаких отверстий снаружи и выглядела как будто склеенная. Но разобрать такую мебель можно было только с помощью того самого прибора, довольно недешевого.
      • +5
        • 0
          Отличный секретный замок!
        • +1
          Прикольный уголок, идею уволок)
  • 0
    Прям бюрократия какая-то…
    • 0
      Прошу прощения, не в ту статью.
  • +2
    А у нас только гайки умеют закручивать…
  • 0
    Прочитал сначала как фиксики
  • 0

    Мебельщики научились это делать раньше -))
    https://youtu.be/NaN-Emvizq8

    • 0
      у мебельщиков закручиваются сразу все болты попадающие в поле. сейчас начились генерировать сложные поля закручивающие отдельно взятый болт и не трогая другие.
  • 0
    Как пациенту потом МРТ, например, пройти с таким телом, напичканным магнитно восприимчивым металлом? Да и, как я слышал, одним из популярных в медицинской области является титан — парамагнетик.
    Думаю, авторы работы погорячились, и до использования в медицине еще далеко)
  • 0
    А еще эта штука может двигать металлическую стружку и спекать её токами Фуко. Мне начинает казаться, что собрать 3D-принтер можно из чего угодно…
  • 0
    Закрутить полдела. А если нужно открутить ржавый?
    • +1
      Залить колой.
  • –1
    Есть о чем задуматься.
    Все описанное просто, еще чутка и просто как «топор», теоретические научные наработки были давно, сверх естестввенные производственные мощности «рептилоидов» для реализации тоже не требуются, фантастическая литература кругом пестрит чем то подобным и тем не менее эту «гравицапу» только в 2017 додумались таки ИЗОБРЕСТИ, опубликовать, щас будут доооолго думать как ее продать, а мотом еще дольше как использовать…
    В общем мне кажется не взлетит, чЭловеки быстрее весь воздух выдЫшат.
  • 0
    Была статья, что невозможно создать из комбинации постоянных магнитов поле, в котором был бы локальный минимум. Или минимум и момент разные вещи?
    • +1
      Во-первых, невозможно создать постоянными магнитами локальный минимум энергии — а это вообще никак не связано с данной статьёй. Во-вторых, здесь магниты, очевидно, не постоянные. Постоянным магнитом закрутить ничего нельзя.
      • 0
        Хорошо. А таким полем, как в этой статье, можно создать подвес для роторов?
        • 0
          Таким полем, как в статье, можно закрутить винт. Зачем создавать подвес для роторов, если они уже давно созданы?
  • 0
    Пора менять отвёрточную сборку на магнитную. И попробуй докажи, что мы не собрали только что этот автомобиль!
  • 0
    Пока не осязаемо моими мозгами, нужно, чтобы прошло немного времени для адаптации.

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.