ETD

• capsule robots
• cargo manipulation
• deployable mechanisms
• local control
• magnetic actuation
• magnetic microrobotics
• medical robotics
• miniaturized coils
• targeted drug delivery

This thesis presents the design, prototyping, and experimental validation of two deployable mechanisms intended for integration into magnetically actuated capsule robots for targeted drug delivery applications. The proposed mechanisms enable the repositioning of miniaturized electromagnetic coils in close proximity to a released magnetic payload, allowing future localized magnetic manipulation through fields generated directly by the capsule. Two alternative deployment strategies were investigated: a piston-based mechanism relying on linear magnetic actuation and a centrifugal-force-based mechanism exploiting capsule rotation to achieve passive coil deployment. The work includes CAD design, additive manufacturing, waterproofing and experimental characterization of electromagnetic coils, development of simplified analytical models and their experimental validation. Deployment performance, locomotion capabilities, and trajectory-tracking accuracy were experimentally assessed, together with proof-of-concept demonstrations integrating magnetic navigation, target reaching, payload release, and coil deployment into a single operational sequence. The experimental results confirm the feasibility of both deployment concepts and highlight the different trade-offs between deployment speed, positioning accuracy, and locomotion performance. The proposed solutions represent a promising step toward multifunctional untethered capsule robots capable of targeted drug delivery followed by localized magnetic manipulation of therapeutic magnetic particles.

La presente tesi propone, realizza e valida sperimentalmente due meccanismi di deployment destinati all'integrazione in capsule robotiche magneticamente attuate per applicazioni di drug delivery mirato. L'obiettivo è consentire il riposizionamento di bobine elettromagnetiche miniaturizzate in prossimità del cargo magnetico rilasciato, così da permettere una futura manipolazione locale mediante campi magnetici generati direttamente dalla capsula. Sono state sviluppate due soluzioni alternative: un meccanismo piston-based basato su attuazione magnetica lineare e un meccanismo centrifugal-force-based che sfrutta la rotazione della capsula per ottenere il deployment passivo delle bobine. Il lavoro comprende la progettazione CAD, la prototipazione mediante stampa 3D, la caratterizzazione sperimentale delle bobine elettromagnetiche, lo sviluppo di modelli analitici semplificati e la loro validazione sperimentale. Sono inoltre state valutate le prestazioni di deployment, locomozione e tracking, nonché la capacità delle capsule di eseguire una sequenza completa comprendente navigazione verso un bersaglio, rilascio del payload e deployment delle bobine. I risultati dimostrano la fattibilità dell'approccio proposto e mettono in evidenza i differenti compromessi tra rapidità di deployment, accuratezza di posizionamento e prestazioni di locomozione, fornendo una base per lo sviluppo di future capsule robotiche multifunzionali per applicazioni terapeutiche localizzate.