Monde de la physique : petit pendule magnétique comme capteur de suivi

Les opérations chirurgicales modernes sont un travail de précision. Quiconque pénètre dans le corps humain avec des sondes filigranes doit toujours savoir exactement où se trouve la pointe de la sonde. C’est pourquoi il existe déjà de nombreuses méthodes qui aident – des petits modules radio aux fibres optiques. Une équipe de recherche a maintenant développé un petit module avec lequel les pointes de sonde peuvent être localisées beaucoup mieux – à peu de frais et entièrement sans fil. Comme le rapporte l’équipe dans la revue Science, le capteur de position n’a que la taille d’une tête d’épingle et convient à la mesure de la pression et de la température.

Le cœur du capteur, que Jürgen Rahmer et son équipe du laboratoire de recherche Philips de Hambourg ont fabriqué, est un pendule magnétique, un soi-disant résonateur magnétomécanique. Deux aimants sphériques en alliage néodyme-fer-bore sont situés dans un cylindre de près de deux millimètres de haut et d’un millimètre de large. Une sphère est attachée au fond du cylindre, l’autre plane au-dessus, suspendue à un fil fin. Les deux boules magnétiques sont alignées de manière à ce que les pôles magnétiques opposés se pointent l’un vers l’autre – et s’attirent. Cela stabilise la position de la sphère flottante.

Les chercheurs ont ensuite mis la boule flottante en mouvement. Pour ce faire, ils ont envoyé des impulsions de courant à travers une zone composée de 16 petites bobines situées à une certaine distance du cylindre. En raison de leur induction électromagnétique – c’est-à-dire du champ magnétique créé par les impulsions de courant – la boule a commencé à tourner. En fonction de l’orientation et de la position du cylindre, la sphère magnétique tournait parfois plus vite, parfois plus lentement – et cela induisait à son tour de nouvelles impulsions de tension dans les bobines. En mesurant ces contraintes, les chercheurs ont déterminé comment le mouvement de rotation changeait. Cela leur a permis de localiser le module avec une précision millimétrique – sans contact à une distance allant jusqu’à 25 centimètres.

Rahmer et son équipe ont utilisé une méthode spéciale pour démontrer avec quelle précision et rapidité le capteur peut être localisé : ils ont placé leur pendule magnétique sur le dos d’une abeille. Cela pourrait se déplacer librement dans une petite boîte. À l’extérieur de la boîte se trouvait une zone de bobine qui suivait de manière fiable la trajectoire de l’abeille. Le capteur a également été convaincant dans une configuration de test plus pratique : les chercheurs ont inséré une sonde chirurgicale – équipée de son pendule magnétique – dans une masse de gélatine, qui a servi de modèle pour un corps humain. Encore une fois, ils ont pu localiser la pointe de la sonde rapidement, avec précision et de manière fiable.

Mais non seulement l’alignement et la position du pendule magnétique peuvent être déterminés à distance avec cette méthode sans contact : il convient également comme capteur de pression et de température. Parce que la taille du cylindre du pendule varie au minimum lorsque ces influences changent – et cela affecte également la rotation de la boule magnétique.

Rahmer et son équipe tentent maintenant d’augmenter encore la sensibilité du pendule magnétique : par exemple en protégeant la salle de mesure des champs électromagnétiques parasites ou en séparant plus précisément les signaux utilisables du bruit de fond. Si le pendule magnétique fait également ses preuves dans d’autres séries de tests, il pourrait bientôt être utilisé comme capteur rentable dans la technologie médicale et d’autres applications.