Väitös, automaatio, systeemit ja säätötekniikka, MSc Ogulcan Isitman

Väitöskirjan nimi: Control and Planning for Magnetic Robotic Manipulation Across Scales

Väittelijä: Ogulcan Isitman
Vastaväittäjä: Prof. Sarthak Misra, University of Twente, Alankomaat
Kustos: Prof. Quan Zhou, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Magneettinen robottimanipulaatio tutkii, miten magneettikenttiä voidaan käyttää pienten kohteiden liikuttamiseen ja ohjaamiseen ilman suoraa fyysistä kosketusta. Tämä väitöskirja keskittyy ohjausmenetelmien kehittämiseen magneettista manipulaatiota varten mikro ja mesoskaalan biolääketieteellisissä järjestelmissä, joissa kohde voi olla hauras, hyvin pieni tai sijaita ihmiskehon sisällä. Mikroskaalassa magneettikentillä voidaan ohjata hiukkasia, soluja ja mikrorobotteja esimerkiksi kohdennetun hoidon, diagnostiikan ja mikrokokoonpanon tehtävissä. Mesoskaalassa niiden avulla voidaan ohjata lääketieteellisiä laitteita, kuten kapseliendoskooppeja, anatomisesti rajoitetuissa ympäristöissä. Tutkimuksen tavoitteena oli tehdä magneettisesta manipulaatiosta luotettavampaa, tarkempaa ja rajoitteet huomioivaa epälineaarisista magneettisista voimista, voimakkaista kytkeytymisvaikutuksista ja skaalaan liittyvistä fysikaalisista haasteista huolimatta.

Väitöskirja osoittaa, että koordinoitu magneettinen aktuointi mahdollistaa yksittäisen mikrohiukkasen turvallisen ja tarkan manipulaation, että useita lähellä toisiaan olevia mikrohiukkasia voidaan ohjata samanaikaisesti ja itsenäisesti datapohjaisen magneettikenttämallin avulla, ja että magneettisia kapseleita voidaan navigoida turvallisesti trajektorisuunnittelun ja takaisinkytketyn ohjauksen avulla dynaamisten, aktuointiin liittyvien ja anatomisten rajoitteiden alaisina. Työn päätulos on yhtenäinen optimointipohjainen viitekehys rajoitteet huomioivalle magneettiselle manipulaatiolle eri skaaloissa. Tutkimus tuo uusia menetelmiä useiden magneettisten aktuaattorien koordinointiin, monimutkaisten magneettikenttävuorovaikutusten oppimiseen ja turvallisen kapseliliikkeen suunnitteluun. Tulokset voivat tukea tulevaisuuden biolääketieteellisiä robottijärjestelmiä, kuten mikromanipulaatioalustoja, kohdennetun hoidon työkaluja ja magneettista kapseliendoskopiaa. Kokonaisuutena väitöskirja osoittaa, että mallinnuksen, optimoinnin, oppimisen ja takaisinkytketyn ohjauksen yhdistäminen voi tehdä magneettisesta robottimanipulaatiosta skaalautuvampaa ja paremmin soveltuvaa monimutkaisiin käytännön ympäristöihin.

Avainsanat: magneettinen manipulaatio, robottimikromanipulaatio, robottiohjaus, trajektorisuunnittelu

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu