Winziges Magnet-Pendel verfolgt Bienenflug

Hamburg - Dringen Chirurgen bei minimal invasiven Operationen mit filigranen Sonden in den Körper vor, müssen sie immer wissen, wo genau sich die Sondenspitze gerade befindet. Viele Methoden vom kleinen Funkmodul bis zur optischen Faser helfen dabei. Nun entwickelten Hamburger Forscher ein winziges Modul, mit dem sich die Sondenspitzen noch deutlich besser lokalisieren lassen. Sogar Bienen können den Sensor huckepack tragen und verraten dadurch ihre Flugbahnen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, taugt ihr Positionssensor von der Größe eines Stecknadelkopfes auch zum Messen von Druck und Temperatur.

Herzstück des Sensors, den Jürgen Rahmer und seine Kollegen vom Philips Forschungslabor in Hamburg gefertigt haben, ist ein magnetisches Pendel, ein so genannter magneto-mechanischer Resonator. Dafür setzten die Forscher auf den Boden eines knapp zwei Millimeter hohen und einen Millimeter breiten Zylinders einen kugelförmigen Dauermagneten aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Darüber schwebte, aufgehängt an einem dünnen Draht, eine zweite Magnetkugel aus dem gleichen Material. Dabei richteten die Forscher entgegengesetzte Magnetpole der beiden Kugeln zueinander aus. Durch die Anziehungskraft konnte die Lage der schwebenden Kugel stabilisiert werden.

Mit Strompulsen durch ein Areal aus 16 kleinen Spulen ließ sich über elektromagnetische Induktion ohne direkten Kontakt die schwebende Magnetkugel in Drehung versetzen. Zugleich diente das gleiche Spulenareal auch als Sensor für Veränderungen dieser Rotationsbewegung. Je nach Ausrichtung und Position des Sensors drehte sich die Magnetkugel mal schneller, mal langsamer. Diese Variationen führte zu induzierten Spannungspulsen in den Spulen. Die Messung dieser Spannungen erlaubte eine Millimeter genaue Lokalisierung des Moduls kontaktlos aus bis zu 25 Zentimeter Entfernung.

Zur Demonstration der genauen und schnellen Ortung setzten Rahmer und Kollegen ihr magnetisches Pendel auf den Rücken einer Biene. Diese konnte sich in einem kleinen Kasten frei bewegen. Über ein Spulenareal an der Außenseite des Kastens ließ sich die Flugbahn der Biene zuverlässig verfolgen. In einem anderen Versuchsaufbau führten die Forscher eine Operationssonde, ausgestattet mit einem Magnet-Pendel, in eine Gelatine-Masse, die als Modell für einen menschlichen Körper diente. Auch hier ließ sich Ausrichtung und Position der Sondenspitze schnell, genau und zuverlässig messen.

Doch nicht nur Ausrichtung und Position des Magnet-Pendels lassen sich mit dieser Methode kontaktlos aus der Ferne bestimmen. Denn die Größe des Pendel-Zylinders variiert minimal bei Änderungen von Temperatur oder äußeren Druck. Das wirkt sich auch auf die Drehbewegung der oberen Magnetkugel aus. So eignet sich das Magnet-Pendel zusätzlich auch als Druck- und Temperatursensor.

Es ist nicht ausgeschlossen, dass sich die Empfindlichkeit des Magnet-Pendels weiter steigern lässt. So könnte eine Abschirmung des Messraums störende elektromagnetische Felder verringern. Auch mit einer besseren Trennung der nutzbaren Signalen von einem Hintergrundrauschen ließe sich die Sensitität steigern. Bewährt sich das Magnet-Pendel auch in weiteren Versuchsreihen, wäre ein Einsatz beispielsweise in der Medizintechnik schon bald vorstellbar.