Détails sur une nouvelle méthode de localisation par oscillations magnétiques de petite échelle et son application en robotique

Contexte et motivation de la recherche

Les micro-robots montrent un potentiel énorme dans le domaine médical, notamment en chirurgie mini-invasive, en délivrance ciblée de médicaments et en détection in vivo. Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés en alimentant et en conduisant sans fil des robots de taille nanométrique à millimétrique dans des environnements biologiques. Cependant, la localisation en temps réel de ces micro-robots, en particulier au sein de tissus biologiques profonds, demeure un défi technique urgent. Les techniques d’imagerie médicale traditionnelles, telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (CT) et la tomographie par émission de positons (PET), bien qu’avantageuses en termes de résolution spatiale, ne conviennent pas pour le suivi continu des robots mobiles en raison de leur faible taux de rafraîchissement ou des problèmes de radioactivité. De plus, les méthodes de localisation magnétique statique actuelles peuvent réaliser une localisation à cinq degrés de liberté (DOF) dans certains scénarios, mais ne parviennent pas à obtenir une localisation complète à six degrés de liberté en raison de la symétrie de rotation autour de l’axe magnétique. Par conséquent, le développement d’une méthode de localisation sans fil en temps réel avec une précision micrométrique et six degrés de liberté au sein de tissus biologiques profonds est devenu la principale motivation de cette recherche.

Source et informations sur les auteurs

Cet article a été publié dans le journal npj Robotics, intitulé “Small-scale magneto-oscillatory localization for small-scale robots”. Le DOI est 10.1038/s44182-024-00008-x. Les principaux auteurs incluent F. Fischer (DKFZ), C. Gletter (University of Stuttgart), M. Jeong (University of Stuttgart) et T. Qiu (DKFZ). L’article a été publié en 2024 dans la série de journaux Nature npj Robotics.

Détails du processus de recherche

Processus de recherche

Cette étude propose la méthode de localisation par oscillations magnétiques de petite échelle (Small-scale Magneto-Oscillatory Localization, SMOL), qui réalise une localisation sans fil en temps réel à six degrés de liberté grâce à un cantilever mécanique attaché à un dipôle magnétique limité. La méthode SMOL utilise les oscillations mécaniques du dipôle magnétique pour rompre la symétrie de rotation traditionnelle d’un aimant permanent unique, permettant ainsi une localisation complète à six degrés de liberté.

1. Conception et principes du dispositif SMOL : Le dispositif SMOL est composé d’une structure de cantilever et d’un dipôle magnétique attaché. Le cantilever produit des oscillations mécaniques sous l’effet d’un champ magnétique externe, ces oscillations étant capturées par un réseau de capteurs multiples et décodées par ajustement d’un modèle physique pour obtenir les informations de position et d’attitude.

2. Conception des unités d’excitation et de détection : L’unité d’excitation est constituée d’une paire de bobines planes disposées verticalement pour générer un champ magnétique alternatif dans un plan orthogonal. L’unité de détection est un réseau de capteurs magnétiques captant des signaux magnétiques complexes produits par l’oscillation du dipôle. Lors de l’oscillation du cantilever, les multiples signaux de fréquence générés par le dipôle sont capturés par les capteurs et, via l’ajustement du modèle de champ magnétique, les six degrés de liberté du dispositif SMOL sont obtenus.

3. Mode d’oscillation et traitement du signal : La fréquence d’oscillation mécanique du cantilever est déterminée par les propriétés du matériau et la géométrie du cantilever. Par transformation de Fourier (DFT) et filtrage du signal, des signaux d’oscillation fiables sont extraits et décodés sous un modèle physique en utilisant l’algorithme d’optimisation de Levenberg-Marquardt.

4. Expériences de précision et de profondeur de localisation : Des simulations et des expériences comparatives ont été menées pour vérifier la précision et la profondeur d’application de la méthode SMOL. Des mesures réelles ont été prises dans divers environnements pour évaluer ses performances sous différents coefficients d’amortissement.

Résultats de la recherche

1. Localisation à six degrés de liberté complète : La méthode SMOL décode précisément, à partir des données de capteur composites, la position tridimensionnelle (x, y, z) et l’attitude tridimensionnelle (tangage, lacet, roulis) du dispositif dans l’espace. Les résultats expérimentaux montrent que, à une distance de 80 mm du réseau de capteurs, la précision de position atteint le niveau submillimétrique, pouvant même être affinée à moins de 100 micromètres ; la précision d’attitude atteint moins de 1 degré.

2. Large gamme d’applications et compatibilité environnementale : Cette méthode est applicable à diverses conditions limites physiques, incluant les limites solides, les milieux viscoélastiques et les limites de liquides. Comparée aux méthodes traditionnelles, la méthode SMOL montre une meilleure performance dans des environnements à haut amortissement (tels que les tissus mous biologiques).

3. Contrôle en boucle fermée en temps réel : Le dispositif SMOL peut être rapidement intégré à un micro-robot pour un contrôle en boucle fermée en temps réel. Dans les expériences, des micro-robots ont été conduits dans des milieux viscoélastiques à l’aide de champs magnétiques de gradient et rotatifs, réalisant un suivi précis de trajectoire et un contrôle directionnel via la méthode SMOL.

Valeur et signification de la recherche

Valeur scientifique : La méthode SMOL permet une localisation sans fil, en temps réel, et à six degrés de liberté pour des robots de petite taille, résolvant les limitations de précision et de degrés de liberté des méthodes de localisation traditionnelles, et promouvant l’application des micro-robots dans le domaine biomédical.

Valeur applicative : Cette méthode présente un potentiel pratique significatif, pouvant être largement appliquée à la navigation des outils en chirurgie mini-invasive, à la délivrance ciblée de médicaments et à la surveillance in vivo. En raison de la haute précision et de la performance en temps réel de la méthode SMOL, ses perspectives d’application clinique médicale sont vastes.

Points forts de la recherche

1. Petite taille et haute précision : Réalisation d’une localisation à six degrés de liberté avec précision submillimétrique en position et sub-degrés en attitude, adaptée à l’intégration dans des micro-robots et des dispositifs médicaux.

2. Large gamme d’applications : Conception simple de la méthode SMOL, capable de fonctionner de manière stable sous diverses conditions limites, s’adaptant à divers scénarios biomédicaux.

3. Performance en temps réel : Utilisation de caractéristiques de réponse en fréquence uniques, évitant les interférences basse fréquence et permettant une localisation avec un rapport signal/bruit élevé, pouvant être contrôlée en boucle fermée en temps réel avec des micro-robots et des outils chirurgicaux.

Informations supplémentaires importantes

L’article détaille le modèle mathématique de la méthode SMOL, la conception des équipements expérimentaux et les procédures expérimentales, avec une validation des performances du système basée sur des simulations numériques et des mesures réelles. Des informations détaillées sur la conception des bobines, la disposition des capteurs et les algorithmes de traitement des données sont également fournies dans les matériaux supplémentaires. En outre, l’équipe de recherche a effectué des tests sur des échantillons biologiques réels, vérifiant l’efficacité et l’applicabilité de la méthode SMOL dans des tissus biologiques réels.

Conclusion

La méthode SMOL, grâce à une technique de localisation par oscillations magnétiques innovante, réalise la localisation à six degrés de liberté de robots de petite échelle dans des tissus biologiques profonds. Cette méthode possède une grande valeur d’exploration scientifique et ouvre de nouvelles voies technologiques pour des applications médicales pratiques. Les résultats de recherche indiquent que la méthode SMOL possède de vastes perspectives d’application et de développement pour la localisation instantanée et la navigation des équipements thérapeutiques.