Motion control of paramagnetic microparticles

The application of microrobotics to the health care opens up the horizon for minimally invasive procedures, extremely targeted and highly precise with high benefits in terms of recovery time and healing of injury tissue. Magnetic technology has the potential to wirelessly actuate and control biological system, such as paramagnetic microparticles, which have the ability to navigate in fluids. In this regard, this work presents a motion control for paramagnetic microparticles. A model of the overall magnetic system has been developed according to the experimental setup and the paramagnetic microparticle. The motion control is accomplished by a linear position/force controller and a nonlinear map. An optimisation algorithm has been implemented for the force-to-current map. Furthermore, the control has been extended to multiple numbers of robots by adopting a master-slave configuration, as a preliminary study of formation control. Simulation results are provided for evaluating the performance of the designed control.

Da vent’anni a questa parte, la scienza della microrobotica ha allargato il suo campo di applicazione alla medicina. Ciò ha reso possibile interventi minimamente invasivi e di alta precisione, con notevoli vantaggi in termini di tempi di recupero e guarigione dei tessuti lesioniati. Infatti, grazie alle caratteristiche dei microrobots, è possibile operare interventi all’ interno del corpo umano mirati a ridurre al minimo l’invasività e con essa i tempi di recupero. Molte malattie, come il cancro, necessitano di trattamenti localizzati; per questo motivo, il controllo di piccoli robots in grado di navigare all’interno dell’organismo e operare direttamente sul problema, rilasciando l’antidoto in loco, è diventato oggetto di molte ricerche. Questa tesi presenta uno studio mirato alla realizzazione di un controllo del moto di microparticelle paramagnetiche, che possono essere attuate e controllate esternamente tramite un campo magnetico globale. A tal fine, si è sviluppato un modello del sistema che include la dinamica della microparticella e il sistema magnetico per il particolare setup Mobimag del Laboratorio di Chirurgia Robotica, presso l’Università di Twente, in Olanda. A causa della relazione che lega la forza magnetica alla corrente che alimenta le bobine, il sistema è non lineare. Una linearizzazione di tipo Input/Output ha reso possibile rincondurre il problema del controllo alla progettazione di un controllore lineare con retroazione di stato, utilizzando l’assegnamento degli autovalori. In seguito, è stato progettato un algoritmo di ottimizzazione per identificare la mappa non lineare che descrive la relazione fra forza e corrente. Successivamente, Il controllo è stato esteso a più particelle, adottando una configurazione di tipo master-slave per un controllo di formazione. Infine, le prestazioni del sistema sono state valutate tramite risultati di simulazione.