thumb|Magneto-mechanischer Resonator, bestehend aus zwei magnetischen Kugeln, deren Pole rot und blau markiert sind
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 einem 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.
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. 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.
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 beweglicher Dipol ausgeführt ist. Der bewegliche Dipol ist z. B. derart gelagert, dass er bei entsprechender magnetischer Anregung eine Drehschwingung ausführt. 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, sodass der dünne Faden, der den beweglichen Dipol hält, stets straff gespannt ist.
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 Drehschwingung, 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.
Diese Schwingung ist aufgrund des sich ändernden Magnetfeldes des schwingenden Dipols von außen drahtlos mit Hilfe einer Empfangsspule detektierbar. Nach dem 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.
Aus der Frequenz des empfangenen Signals kann der Abstand der Dipole bestimmt werden, denn je näher diese aneinander sind, desto höher ist die Frequenz. Wenn dieser Abstand über einen geeigneten weiteren Mechanismus von einer physikalische Größe, z. B. dem Umgebungsdruck, beeinflusst wird, so kann über die gemessene Frequenz auf den Druck geschlossen werden; der MMR dient dann als Sensor.
Werden mehrere Empfangsspulen verwendet, lassen sich aus den verschiedenen vom Empfangsort 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. 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. Der relative Messfehler der Position kann weniger als 1 % betragen.Knopp, Mohn, Foerger, Thieben, Hackelberg u. a.: Empirical Study of Magnet Distance on Magneto-Mechanical Resonance Frequency. De Gruyter, Berlin 2024, Current directions in biomedical engineering.
Die Funktion von MMRs wurde mehrfach nachgewiesen,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, doi:10.1109/JSEN.2025.3600007. wobei eine etablierte kommerzielle Nutzung (Stand Dez. 2025) noch nicht belegt ist.
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. Drahtlose Signalerfassung: Messdaten von MMRs werden berührungslos übertragen und benötigen keine interne Energiequelle, wodurch sie sich für implantierbare Sensoren besonders eignen. Hohe Signalstärke: Durch gezieltes Design der Resonatoren wird eine hohe Signalstärke erreicht, was die Detektion über größere Distanzen (bis ~ 30 cm) ermöglicht. Dazu wird das sehr starke Magnetmaterial Neodym-Eisen-Bor verwendet.
Anwendungen in der Medizin (Quelle: )
Echtzeit-Verfolgung von Biopsienadeln, z. B. bei Prostatabiopsien, oder von Instrumenten Echtzeit-Verfolgung von Katheter-Positionen Tracking von oral eingenommenen Kapseln, z. B. für Magen-Darm-Untersuchungen (drahtlose Kapselendoskopie)
Sonstige Anwendungen Drahtlose und passive Ermittlung von Druck z. B. in technischen Prozessen. Insekten- und Bienenforschung Signalübertragung in unzugänglicher, elektrisch leitfähiger oder für Funkübertragung ungeeigneter Umgebung.
Nachteile und Grenzen in der Anwendung Das Vorhandensein von Metall oder ferromagnetischen Quellen im Arbeitsbereich kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
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
Weblinks Tiny magnetic tracking and sensing device uses magneto-mechanical resonators. YouTube-Video. Supplementary Movie S8. Catheter tracking using three magneto-mechanical resonator markers. YouTube-Video. Fraunhofer-Forschungsgruppe. Instituts-Webseite.
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