导电非磁性物体的灵巧磁操作

磁性操纵具有非接触性的优点，当操纵器和目标之间存在破坏性碰撞的风险时，这尤其具有吸引力。想象一下，试图在地球大气层上方的轨道上捕捉火箭喷嘴的碎片，碎片的移动速度比子弹还快，并且不断地旋转着。目前，大约需要27000块这样的轨道碎片达到足够大的体积，才能被地球上的太空监视网络追踪，这些碎片不断威胁着活跃的航天器和卫星。如果碎片具有磁性，那么可以使用磁铁来安全地抓住物体并处理它们——但轨道碎片往往含有非常少量的或基本不含磁性材料。

磁场可用于从远处推动、拉动和转动磁性物体——该原理用于电动机以旋转电机轴。使用磁场进行复杂的运动控制也是可能的，允许在三个维度上灵活和快速地操纵磁性物体。但是，由于这些方法仅限于包含磁性材料的物体，因此它们的应用性受到局限。

鉴于此，来自美国犹他大学机械工程系的Jake J. Abbott教授课题组报告了一种允许磁铁从远处抓取非磁性物体的方法，该方法可能被清理卫星用于碎片捕获和处理，相关研究成果以题为“Dexterous magnetic manipulation of conductive non-magnetic objects”发表在最新一期《Nature》上。

Jake J. Abbott教授团队介绍的非接触式操作方法，允许在三个维度上推动、拉动和转动非磁性物体，只要该物体由金属等导电材料制成（Figure 1）。作者利用了一种称为磁感应的现象，在这种现象中，快速变化的磁场会在导体中感应出电流，从而将导电物体变成磁铁。自1800年代以来，磁感应一直用于在短距离的导体之间无线传输能量。用途范围从在现代电子产品和电力输送网络中无处不在的变压器，到无线充电智能手机和感应炊具。

Figure . 通过磁感应进行操作

交变磁场感应的电流在产生它们的导体内形成回路（称为涡流）。这些涡流回路又会产生它们自己的次级磁场。这样，变化的磁场可以将任何导体变成次级电磁铁。然后次级电磁体将对原始磁场源施加磁力。如果原始磁场是由移动或旋转的磁铁产生的，则感应力会与原始运动相反，并会减慢磁铁的运动速度。这种阻力效应被用作某些列车的被动制动系统。电磁铁产生的力还可以用于工业电机和过山车的磁力推进系统，甚至可以从称为轨道炮的先进火炮发射弹药。在这些应用中，力控制机构组件沿指定轴的运动。Jake J. Abbott教授团队已将这种方法推广到在三个维度上操纵自由移动的导电物体。

【实验方案设计】

研究展示了使用能够围绕任意轴连续偶极旋转的多个静态（就位）磁偶极场源，可以实现对导电物体的灵巧操纵。他们在数值微重力模拟中演示了六自由度（6-DOF操作）的操作，在实验微重力模拟中演示了3-DOF操作。他们在相对于旋转磁偶极子的三个规范位置表征这些球体，如图1所示。

图 1. 在相对于旋转磁偶极子的三个规范位置上的导电球体上的感应力和扭矩

为了推导出表征涡流感应力和扭矩在±z和ρ的函数，研究团队使用Ansys Maxwell软件对一系列参数进行了电磁有限元分析(FEA)模拟（图2a）。正是从该FEA中，研究团队确定了图1中所示的不可忽略的力和扭矩分量。他们确认了±z配置的预期对称性，其中力的作用是将球体推离旋转偶极子，扭矩的作用是使球体沿与ω相同的方向旋转。在ρ配置中，力的一个分量将球体推离旋转偶极子，力的另一个分量将球体推向旋转偶极子。图2b为研究团队确定的理论模型。

图 2. 力-扭矩表征的典型数值和实验结果

研究团队通过实验装置对上述模型进行了实验验证，该实验装置包括由直流(dc)电机旋转的立方NdFeB永磁体、安装在6-DOF力-扭矩传感器上的实心铜球和一个3D-印刷钉板，可以将铜球放置在三种感兴趣的配置中（图2c）。带有回归模型的结果数据的示例如图2d所示。通过比较不同配置和力-扭矩组件的实验和FEA结果时，他们发现总体趋势非常一致。

【操纵框架】

研究团队开发出一个框架，该框架使用上面开发的力-扭矩模型来对感兴趣的导电物体周围的磁偶极子源进行灵巧的操作。研究团队将m和ω的方向视为控制变量，并简单地使用恒定角速度幅度ω。他们首先在微重力数值模拟中验证了操纵框架，其中六个偶极场源围绕并巧妙地操纵一个铜球。作者在数值模拟中表明，生成的场可以在3D中沿任何轴移动非磁性物体，同时控制物体的方向。他们还通过使用它在平面上移动铜球，在2D中通过实验证明了他们方法的一般操作能力。研究团队在有无3-DOF方向控制进行了3-DOF位置控制（见图3a-d）。然后使用Omnimagnets进行实验验证，Omnimagnets被设计用作近似偶极场源，每个源包括三个位于同一位置且相互正交的电磁体。一个铜球漂浮在四个全磁体上方的水容器中的筏子中（图3e），用作在水平面上具有3自由度移动性的地球微重力模拟器。同时，研究团队在有无2-DOF方向控执行了2-DOF位置控制（见图3f，g）。使用本文提出的方法，可以实现对导电非磁性球体的6-DOF操作。相比之下，铁磁物体的6-DOF操作仅适用于复杂的几何形状，其中5-DOF是大多数简单几何形状的典型特征，而软磁球体1只能实现3-DOF。

图3.在模拟微重力下灵巧地操纵铜球

【总结】

本文提出的非接触式磁操纵方法就像科幻小说中的“牵引光束”一样，是一种很有前途的方法，在操纵和清理轨道空间碎片方面具有巨大潜力。然而，应该指出的是，本文的实验演示仅限于在单个平面上的运动。随着电磁体和物体之间的间隙增加，感应效应也会迅速消失——在报告的实验中，致动电磁体和物体之间的间隙只有大约5-10厘米。此外，该方法产生的操纵力很小，这使得物体的重量成为地面设置中需要克服的重大障碍。在太空中，物体重量不是一个因素，这些低力可能完全适合慢速操纵。很难证明使用这种方法可以在不进入轨道的情况下进行完整的3D操作。

来源：卡比獸papa