Ogłoszenie wyników

Oparta na mechanice obliczeniowej optymalizacja topologiczna określa optymalną równowagę pomiędzy odpornością na zginanie a wysoką wydajnością wtrysku.

Ogłoszenie wyników

Wykorzystaliśmy{{0}najnowocześniejsze technologie w zakresie mechaniki obliczeniowej i optymalizacji topologii, aby z powodzeniem zdefiniować „granicę optymalnego Pareto” w zakresie wydajności konstrukcji ze sztywnych rur ze szczelinami. Na tej podstawie opracowaliśmy platformę inteligentnego projektowania „OptiSlot” i powiązane z nią produkty. Platforma ta może automatycznie generować unikalne, optymalne wzory szczelin zgodnie z określonymi ograniczeniami docelowymi, takimi jak wytrzymałość osiowa, współczynnik odporności na zginanie, sztywność skrętna i waga. W rezultacie sztywne rury ze szczelinami produkowane przez tę platformę charakteryzują się wszechstronnymi parametrami mechanicznymi, które są o ponad 40% wyższe niż w przypadku tradycyjnych konstrukcji empirycznych, osiągając niespotykaną dotąd precyzyjną równowagę pomiędzy odpornością na zginanie a osiową siłą wtrysku.

Wyzwania związane z badaniami i rozwojem

Projektując konstrukcje ze sztywnych rur, inżynierowie od dawna polegali na wzorach empirycznych oraz metodach prób-i-błędów w celu zdefiniowania parametrów szczeliny (takich jak długość i szerokość szczeliny, odstępy i kąt). Podejście to jest nie tylko nieefektywne, ale także trudne do ilościowej oceny różnic w wydajności między różnymi projektami i nie umożliwia zbadania potencjalnych projektów, które zbliżają się do teoretycznej granicy. W rezultacie projekty są zwykle zbyt konserwatywne, poświęcając zbyt dużo przestrzeni wewnętrznej ze względów bezpieczeństwa lub wprowadzając ryzyko zgięcia przy dążeniu do uzyskania maksymalnej siły wtrysku. Z klinicznego punktu widzenia występują znaczne różnice-w-partiach, co powoduje słabe punkty konstrukcyjne w zakresie „czucia” i niezawodności urządzeń. Brak systematycznej metodologii projektowania-opartej na fizyce jest podstawową przyczyną stagnacji wydajności produktu i poważnego problemu z jednorodnością.

Podstawowa innowacja technologiczna

• Platforma integracji parametrycznych elementów skończonych i optymalizacji wielocelowej:Opracowaliśmy zintegrowane środowisko projektowe z niezależnymi prawami własności intelektualnej, płynnie łączące parametryczne modelowanie geometryczne, nieliniową analizę elementów skończonych (FEA) i wielo-obiektywowy algorytm genetyczny (MOGA). Użytkownicy muszą jedynie wprowadzić średnicę zewnętrzną, grubość ścianki, właściwości materiału i oczekiwany zakres docelowy wydajności (taki jak minimalna siła niszcząca przy ściskaniu, maksymalny dopuszczalny kąt zgięcia, minimalna sztywność skrętna), a platforma może automatycznie optymalizować spośród tysięcy możliwych projektów. Algorytm przyjmuje sztywność osiową, oporność na zginanie boczne, wydajność przenoszenia skrętu, masę itp. jako cele optymalizacji, a na koniec generuje serię niezdominowanych rozwiązań (tj. schematów projektowych, których nie można ulepszyć w jednym aspekcie bez szkody dla innego) na „frontzie Pareto”, który inżynierowie mogą wybierać w zależności od priorytetu.
• Baza danych bionicznych i niejednorodnych-slotów z przeplotem:Przełamując tradycyjny, jednolity sposób myślenia o prostych automatach, stworzyliśmy bazę danych zawierającą dziesiątki zaawansowanych typów automatów. Te typy szczelin inspirowane są naturalnymi-strukturami zapobiegającymi zginaniu, takimi jak stawy bambusowe, warstwy korowe kości, system rurek Havercus itp. Obejmują między innymi: stopniowo zmieniające się szczeliny dystansowe, szczeliny-w kształcie łuku, szczeliny rozgałęzień fraktalnych, asymetryczne szczeliny skrętne itp. Platforma może inteligentnie wywoływać i łączyć te podstawowe jednostki typu szczelin, aby generować bardzo złożone,-równomiernie rozłożone, ale wydajne mechanicznie złożone wzory szczelin.
• Powiązanie ograniczeń produkcyjnych i weryfikacja produktywności:Podczas cyklu optymalizacji innowacyjnie wbudowaliśmy „Moduł ograniczeń produkcyjnych”. Moduł ten ocenia w czasie rzeczywistym wykonalność każdego wygenerowanego projektu, w tym wykonalność cięcia laserowego (np. minimalny promień kąta wewnętrznego, unikanie gromadzenia się ciepła), dostępność narzędzi polerskich oraz to, czy będzie generować trudne--usunięcie zadziorów. Algorytm optymalizacji automatycznie uniknie niepraktycznych projektów, zapewniając, że każde optymalne rozwiązanie będzie „optymalnym rozwiązaniem”, bezpośrednio przechodząc z przestrzeni cyfrowej na linię produkcyjną i eliminując „papierowe rozmowy”.

Mechanizm działania

Filozofia projektowania platformy OptiSlot brzmi: „prowadź stres, a nie przeciwstawiaj się mu”. Wygenerowane wzory szczelin zasadniczo planują najbardziej wydajną i płynną ścieżkę przenoszenia sił wewnętrznych (przepływu naprężeń) rury pod złożonymi obciążeniami. Dzięki symulacji mechaniki obliczeniowej platforma dokładnie identyfikuje „łańcuch sił”, który przenosi główne obciążenie pod naciskiem osiowym, a także „słabe obszary” podatne na wyboczenie pod wpływem sił poprzecznych. Zoptymalizowane szczeliny zachowają wystarczającą ilość ciągłych materiałów „pomostowych” wzdłuż ścieżki „łańcucha siłowego”, jak na przykład solidna główna droga; natomiast w „obszarach słabych” lub w strefach-głównego obciążenia-nośnych strategicznie wprowadza się określone kształty i kierunki szczelin. Szczeliny te przypominają starannie zaprojektowane „elastyczne złącza” lub „pochłaniacze energii”, umożliwiające materiałowi poddawanie się niewielkim, kontrolowanym odkształceniom sprężystym, rozpraszając w ten sposób energię uderzenia i zapobiegając rozprzestrzenianiu się lokalnej niestabilności aż do całkowitego zapadnięcia się. Ten projekt aktywnego zarządzania oparty-naprężeniu umożliwia najbardziej ekonomiczne i efektywne wykorzystanie dystrybucji materiałów.

Weryfikacja skuteczności

Porównując tradycyjną, jednolitą konstrukcję szczeliny ze zoptymalizowaną konstrukcją OptiSlot, różnice są znaczące: przy zachowaniu tej samej odporności na uszkodzenia przy ściskaniu (np. 1000 N), ciężar korpusu rury w zoptymalizowanej konstrukcji jest średnio zmniejszony o 18% lub średnica wewnętrzna może zostać zwiększona o 15%. W teście zginania w trzech-punktach, po osiągnięciu tego samego odkształcenia, obciążenie przenoszone przez zoptymalizowany korpus rurowy jest o 25%-50% większe niż w przypadku tradycyjnej konstrukcji. Co ważniejsze, tryb awaryjny zoptymalizowanej konstrukcji jest bardziej „delikatny” i objawia się stopniowym i wielostopniowym uplastycznieniem, a nie nagłym pęknięciem, co zapewnia operatorowi cenne informacje zwrotne i czas reakcji. W przypadku narzędzi do implantów zespalających kręgosłup, tuleja prowadząca zaprojektowana z wykorzystaniem OptiSlot charakteryzowała się redukcją błędu kąta skrętu o 60% w ramach symulowanego maksymalnego momentu obrotowego implantu w porównaniu z wcześniejszym, a z opinii chirurga wynikało, że jest „bardziej miękka” w dotyku, jest bardziej przewidywalna, a pewność obsługi instrumentu znacznie wzrosła.

Strategia i filozofia badań i rozwoju

Naszą podstawową strategią jest to, że „projekt napędza wydajność, symulacja zastępuje próby i błędy”. Zaawansowane technologie symulacji obliczeniowej i optymalizacji postrzegamy jako „supermikroskop” i „silnik akceleratora” rozwoju nowych wyrobów medycznych w nowej erze. Poczyniliśmy znaczne inwestycje w budowanie-klastrów obliczeniowych o wysokiej wydajności i stworzyliśmy profesjonalny zespół zajmujący się mechaniką solidną, matematyką obliczeniową i inżynierią oprogramowania. Nasza filozofia jest następująca: prawdziwy innowacyjny projekt często leży w rozległej przestrzeni wykraczającej poza ludzką intuicję i doświadczenie, a inteligentne algorytmy optymalizacji oparte-na fizyce są najlepszym przewodnikiem podczas odkrywania tego nieznanego terytorium. Zależy nam na uwolnieniu inżynierów od powtarzalnej pracy opartej-na doświadczeniu, umożliwiając im skupienie się na definiowaniu-nowocześniejszych wymagań dotyczących wydajności i problemów klinicznych, pozostawiając jednocześnie zadanie znalezienia optymalnego rozwiązania niestrudzonym inteligentnym algorytmom.

Perspektywa przyszłości

W przyszłości optymalizacja strukturalna zmieni się ze statycznej na dynamiczną i z izolowanych komponentów na integrację systemu. Opracowujemy technologię „optymalizacji topologii w czasie rzeczywistym”-, która może dynamicznie dostosowywać lokalny rozkład sztywności instrumentu w oparciu o dane nawigacyjne w czasie rzeczywistym-podczas operacji (takie jak siła kontaktu między instrumentem a kością oraz impedancja tkanki). Jednocześnie rozszerzymy zakres optymalizacji z pojedynczego korpusu rurki na cały system instrumentu, w tym interfejsy łączące korpus rurki z rękojeścią proksymalną i dystalną głowicą roboczą, aby osiągnąć optymalizację wydajności mechanicznej na poziomie systemu. Dalszą wizją jest utworzenie „rynku projektowania w chmurze”, na którym klinicyści lub producenci instrumentów będą mogli przesyłać swoje pakiety wymagań dotyczących wydajności. Nasza platforma chmurowa w ciągu kilku godzin wyświetli wiele wirtualnych-zweryfikowanych zoptymalizowanych schematów projektowych i powiązanych raportów z przewidywaniami wydajności, co znacznie przyspiesza proces od koncepcji do prototypu innowacyjnych instrumentów i promuje nadejście ery spersonalizowanych narzędzi chirurgicznych.