Magneto-mechanischer Resonator

Ein Magneto-mechanischer Resonator (Magneto-mechanical resonator, MMR) ist eine Resonator-Anordnung, bei der ein beweglich gelagerter Magnet - ähnlich der Masse in einem Federpendel - in eine mechanische Resonanz versetzt werden kann. Spezifisch für den MMR ist, dass die Rückstellkraft nicht durch eine Federkraft, sondern durch eine magnetische Kraft erzeugt wird, die durch die Wechselwirkung mit einen zweiten Magneten entsteht, der am Gehäuse fixiert ist. Die Auslenkung des beweglichen Magneten kann durch extern angelegte magnetischen Felder gezielt beeinflusst werden, wodurch eine Schwingung angestoßen werden kann.[1][2]

Der MMR, der in der Regel miniaturisiert aufgebaut ist, findet seine Anwendung z.B. als Sensor in der medizinischen Diagnostik oder beim Verfolgen von Objekten an schwer zugänglichen Stellen.[3] Dabei kommen insbesondere Anwendungen infrage, bei denen andere größere drahtlose oder ähnlich kleine, aber kabelgebundene Sensoren nicht eingesetzt werden können – etwa bei medizinischen Messungen in tiefem Gewebe oder bei minimalinvasiven Eingriffen.[1]

Wirkprinzip

Ein MMR besteht aus zwei magnetischen Dipolen, von denen in der Regel der eine als unbeweglicher Dipol und der andere als ein mit einem einzigen Freiheitsgrad versehener beweglichen Dipol ausgeführt ist.[3] Der bewegliche Dipol ist z.B. derart gelagert, das er bei entsprechender magnetischer Anregung eine Drehschwingung ausführt.[3] Die Bewegung ist dann analog zu einem Torsionspendel, jedoch mit dem entscheidenden Unterschied der magnetischen Rückstellkraft. In der Ruhelage sind die beiden Dipole anti-parallel ausgerichtet. Die Anziehungskraft zwischen den Dipolen übersteigt dabei deutlich die Gravitation, so dass der dünne Faden, der den beweglichen Dipol hält, stets straff gespannt ist.[1]

Die von außen auf das Dipol-System einwirkende magnetische Anregung erfolgt dabei während der sogenannten Transmit-Phase derart, dass aufgrund der mechanischen Eigenresonanz des beweglichen Dipols eine mechanische Schwingung entsteht. Wird die Transmit-Phase z.B. durch Abschaltung beendet, folgt dieser Abschaltung die sogenannte Receive-Phase. Dabei vollzieht der bewegliche Dipol eine abklingende Drehschwingungung, wobei das Abklingen der Amplitude sehr langsam geschieht. Die hohe Güte der Oszillation ergibt sich aufgrund der niedrigen Dämpfung der lagerfreien Aufhängung der Dipols am Faden.[1]

Diese Schwingung ist aufgrund des sich ändernden Magnetfeldes des schwingenden Dipols von außen drahtlos mit Hilfe einer Empfangsspule detektierbar. Nach der Ende der Receive-Phase folgt die Auswertung und anschließend mit einer erneuten Transmit-Phase die nächste Messung, wobei bis zu 40 Messungen pro Sekunde möglich sind.[1]

Aus der Frequenz des empfangenen Signals kann der Abstand der Dipole bestimmt werden, denn je näher diese aneinander sind, desto größer ist die Frequenz.[1][4] Wenn dieser Abstand über einen geeigneten weiteren Mechanismus von einer physikalische Größe, z.B. der Umgebungsdruck, beeinflusst wird, so kann über die gemessene Frequenz auf den Druck geschlossen werden; der MMR dient dann als Sensor.[1][5]

Werden mehrere Empfangsspulen verwendet. lassen sich aus den verschiedenen empfangsorts-abhängigen Amplituden mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens zusätzlich die 3 Positionsdaten (X-, Y-, und Z-Koordinaten im Raum) und die 3 Euler-Winkel (Dreh-Orientierung im Raum) des MMR gewinnen; der MMR dient dann als Tracker.[1][3] Mit den 6 Parametern (3 Koordinaten, 3 Winkel) ist die Lage des MMR in einem Bezugssystem vollständig beschrieben, man spricht dann von 6 degrees of freedom.[6][7] Der relative Messfehler der Position kann weniger als 1% betragen.[4]

Die Funktion von MMRs wurde mehrfach nachgewiesen[1][4][5][8], wobei eine etablierte kommerzielle Nutzung (Stand Dez. 2025) noch nicht belegt ist.[3]

Besonderheiten von MMRs

  • Miniaturisierung: MMRs haben Volumina von weniger als 1 Kubikmillimeter, was sie für den Einsatz im Körper oder in schwer zugänglichen Bereichen geeignet macht.[1]
  • Drahtlose Signalerfassung: Messdaten von MMRs werden berührungslos übertragen und benötigen keine interne Energiequelle, wodurch sie sich für implantierbare Sensoren besonders eignen.[1]
  • Hohe Signalstärke: Durch gezieltes Design der Resonatoren wird eine hohe Signalstärke erreicht, was die Detektion über größere Distanzen (bis ~30cm) ermöglicht. Dazu wird das sehr starke Magnetmaterial Neodym-Eisen-Bor verwendet.[1]

Anwendungen in der Medizin[3]

Sonstige Anwendungen

Nachteile und Grenzen in der Anwendung

  • Das Vorhandensein von Metall oder ferromagnetischen Quellen im Arbeitsbereich kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen.[13]

Literatur

  • Schinnerl, Kaltenbacher, Langer, Lerch, Schöberl : A Survey in Mathematics for Industry An efficient method for the numerical simulation of magneto-mechanical sensors and actuators, Cambridge University Press April 2007, European Journal of Applied Mathematics
  • Zoltan Nagy : Numerical Approaches To 3D Magnetic MEMS, IRIS / ETH Zürich 2006/2007

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c d e f g h i j k l Bernhard Gleich, Ingo Schmale, Tim Nielsen, Jürgen Rahmer: Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing. In: Science. Band 380, 2023, S. 966–971, doi:10.1126/science.adf5451.
  2. ↑ a b Miniature magneto-mechanical resonators ... (freies Autorenmanuskript und Video-Material). 1. Juni 2023, abgerufen am 29. Dezember 2025.
  3. ↑ a b c d e f IBI: Magneto Mechanical Resonators. Abgerufen am 30. Dezember 2025 (englisch).
  4. ↑ a b c Knopp, Mohn, Foerger, Thieben, Hackelberg, u.a. : Empirical Study of Magnet Distance on Magneto-Mechanical Resonance Frequency, Berlin, De Gruyter, 2024, Current directions in biomedical engineering, abrufbar unter https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:101:1-2412181749048.357766755371
  5. ↑ a b c Timo Merbach, Felix Kexel, Jonas Faltinath, Martin Möddel, Michael Schlüter, Tobias Knopp, Fabian Mohn: Wireless and passive pressure detection using magneto-mechanical resonances in process engineering. 13. Februar 2025, abgerufen am 31. Dezember 2025.
  6. ↑ Dong, Shuda, Wang, Heng: A Robust Tri-Electromagnet-Based 6-DoF Pose Tracking System Using an Error-State Kalman Filter. In: Sensors. Band 24, Nr. 18, Januar 2024, ISSN 1424-8220, doi:10.3390/s24185956 (mdpi.com [abgerufen am 2. Januar 2026]).
  7. ↑ Electromagnetic Tracking Solutions for Surgical Navigation | TT Electronics. Abgerufen am 2. Januar 2026 (englisch).
  8. ↑ Jonas Faltinath, Fabian Mohn, Fynn Foerger, Martin Möddel, Tobias Knopp: Natural Frequency Dependency of Magneto-Mechanical Resonators on Magnet Distance, August 2025, Cornell University New York, https://ieeexplore.ieee.org/document/11139087, doi:10.1109/JSEN.2025.3600007
  9. ↑ Qing Cao, Runyi Deng, Yue Pan, Ruijie Liu, Yicheng Chen, Guofang Gong, Jun Zou, Huayong Yang, Dong Han: Robotic wireless capsule endoscopy: recent advances and upcoming technologies. In: Nature Communications. Band 15, Nr. 1, 30. Mai 2024, ISSN 2041-1723, S. 4597, doi:10.1038/s41467-024-49019-0 (nature.com [abgerufen am 31. Dezember 2025]).
  10. ↑ Reportage auf Youtube vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck. Abgerufen am 4. Januar 2026.
  11. ↑ Rhinithaa P. Thanalakshme, Ali Kanj, JunHwan Kim, Elias Wilken-Resman, Jiheng Jing, Inbar H. Grinberg, Jennifer T. Bernhard, Sameh Tawfick, Gaurav Bahl: Magneto-Mechanical Transmitters for Ultralow Frequency Near-Field Data Transfer. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Band 70, Nr. 5, Mai 2022, ISSN 1558-2221, S. 3710–3722, doi:10.1109/TAP.2021.3137244 (ieee.org [abgerufen am 31. Dezember 2025]).
  12. ↑ Zhi Cheng, Zhuangzhuang He, Zhaoqiang Chu, Jianglei Chang, Chunli Zhang, Penghong Ci, Jing Zhou, Shuxiang Dong: High-Efficiency Magneto-Mechanical Resonator for Enhanced ELF Magnetic Field Communication and Wireless Energy Transmission. In: Journal of Advanced Functional Materials. Dezember 2025, doi:10.1002/adfm.202522900 (wiley.com [abgerufen am 4. Januar 2026]).
  13. ↑ Angela Sorriento, Maria Bianca Porfido, Stefano Mazzoleni, Giuseppe Calvosa, Miria Tenucci, Gastone Ciuti, Paolo Dario: Optical and Electromagnetic Tracking Systems for Biomedical Applications: A Critical Review on Potentialities and Limitations. In: IEEE Reviews in Biomedical Engineering. Band 13, 2020, ISSN 1941-1189, S. 212–232, doi:10.1109/RBME.2019.2939091 (ieee.org [abgerufen am 31. Dezember 2025]).
Dieser Artikel wurde von Wikipedia herausgegeben. Der Text ist unter Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 verfügbar, sofern nicht anders angegeben. Für die Mediendateien können zusätzliche Bedingungen gelten.