Patrícia Alexandra Afonso Zoio

182 Pages·2015·8.13 MB·English

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

Modeling and design of an electromagnetic actuation system for the

manipulation of microrobots in blood vessels

Patrícia Alexandra Afonso Zoio

Dissertação
Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
Perfil em Engenharia Clínica e Instrumentação Médica

2015

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

Modeling and design of an electromagnetic actuation system for the

manipulation of microrobots in blood vessels

Patrícia Alexandra Afonso Zoio

Dissertação orientada por:
Professora Doutora Rita G. Nunes
Professor Doutor Hugo A. Ferreira

Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
Perfil em Engenharia Clínica e Instrumentação Médica

2015

Abstract

Navigation of nano/microdevices has great potential for biomedical applications,
offering a means for diagnosis and therapeutic procedures inside the human body. Due to
their ability to penetrate most materials, magnetic fields are naturally suited to control
magnetic nano/microdevices in inaccessible spaces. One recent approach is the use of custom-
built apparatus capable of controlling magnetic devices. This is a promising area of research,
but further simulation studies and experiments are needed to estimate the feasibility of these
systems in clinical applications.
The goal of this project was the simulation and design of an electromagnetic actuation
system to study the two dimensional locomotion of microdevices. The first step was to
identify, through finite element analysis using software COMSOL, different coil configurations
that would allow the control of magnetic devices at different scales. Based on the simulation
results, a prototype of a magnetic actuation system to control devices with more than 100 𝜇m
was designed and built from the ground up, taking into account cost constraints. The system
comprised one pair of rotational Helmholtz coils and one pair of rotational Maxwell coils
placed along the same axis. Furthermore, additional components had to be designed or
selected to fulfil the requirements of the system. For the evaluation of the fabricated system,
preliminary tests were carried out. The locomotion of a microdevice was tested along different
directions in the x-y plane.
The simulations and experiments confirmed that it is possible to control the magnetic
force and torque acting on a microdevice through the fields produced by Maxwell and
Helmholtz coils, respectively. Thus, this type of magnetic actuation seems to provide a suitable
means of energy transfer for future biomedical microdevices.

Keywords: Magnetic navigation, microrobotics, biomedicine, simulations.

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Resumo

A navegação de nano/microdispositivos apresenta um grande potencial para
aplicações biomédicas, oferecendo meios de diagnóstico e procedimentos terapêuticos no
interior do corpo humano. Dada a sua capacidade de penetrar quase todos os materiais, os
campos magnéticos são naturalmente adequados para controlar nano/microdispositivos
magnéticos em espaços inacessíveis. Uma abordagem recente é o uso de um aparelho
personalizado, capaz de controlar campos magnéticos. Esta é uma área de pesquisa
prometedora, mas mais simulações e experiências são necessárias para avaliar a viabilidade
destes sistemas em aplicações clínicas.
O objectivo deste projecto foi a simulação e desenho de um sistema de atuação
eletromagnética para estudar a locomoção bidimensional de microdispositivos. O primeiro
passo foi identificar, através da análise de elementos finitos, usando o software COMSOL,
diferentes configurações de bobines que permitiriam o controlo de dispositivos magnéticos em
diferentes escalas. Baseado nos resultados das simulações, um protótipo de um sistema de
atuação magnética para controlar dispositivos com mais de 100 𝜇m foi desenhado e
construído de raiz, tendo em conta restrições de custos. O sistema consistiu num par de
bobines de Helmholtz e rotacionais e um par de bobines de Maxwell dispostas no mesmo eixo.
Além disso, componentes adicionais tiveram de ser desenhados ou selecionados para
preencher os requisitos do sistema. Para a avaliação do sistema fabricado, testes preliminares
foram realizados. A locomoção do microrobot foi testada em diferentes direções no plano x-y.
As simulações e experiências confirmaram que é possível controlar a força magnética e
o momento da força que atuam num microdispositivo através do campos produzidos pelas
bobines de Maxwell e Helmholtz, respectivamente. Assim, este tipo de atuação magnética
parece ser uma forma adequada de transferência de energia para futuros microdispositivos
biomédicos.

Palavras-chave: Navegação magnética, microrobótica, biomedicina, simulações.

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Acknowledgements

“If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants.”
Isaac Newton

I would like to thank my supervisors Professor Rita Nunes and Professor Hugo Ferreira,
for their helpful guidance during this work and for all the valuable advices. Both of them were
a source of encouragement.
I would also like to thank Professor Maria Margarida Cruz for the gaussmeter.
A very special thanks goes to my friend Mariana for all the support since the beginning
and for helping me reviewing this dissertation.
Finally, I would like to express my gratitude to my parents for encouraging me every

step of the way. This thesis is dedicated to them.

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