Tese de mestrado integrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015A 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 m 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.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 m 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
