Обявяване на резултатите

Въз основа на изчислителната механика, топологичната оптимизация определя оптималния баланс между устойчивост на огъване и висок капацитет на инжектиране.

Обявяване на резултатите

Използвахме авангардна-изчислителна механика и технологии за оптимизиране на топологията, за да дефинираме успешно „оптималната граница на Парето“ за производителността на твърди тръбни конструкции със слотове. Въз основа на това разработихме платформата за интелигентен дизайн "OptiSlot" и свързаните с нея продукти. Тази платформа може автоматично да генерира уникални оптимални модели на слотове според специфични целеви ограничения като аксиална якост, коефициент на съпротивление на огъване, коравина на усукване и тегло. В резултат на това твърдите тръби със слотове, произведени от тази платформа, имат цялостна механична производителност, която е с над 40% по-висока от тази на традиционните емпирични дизайни, постигайки безпрецедентен прецизен баланс между съпротивлението на огъване и силата на аксиално инжектиране.

Основни предизвикателства за научноизследователска и развойна дейност

При проектирането на твърди тръбни конструкции инженерите отдавна разчитат на емпирични формули и методи за проба-и-грешка, за да дефинират параметрите за прорези (като дължина на прореза, ширина на прореза, разстояние и ъгъл). Този подход е не само неефективен, но също така е труден за количествена оценка на разликите в производителността между различните дизайни и не е в състояние да изследва потенциални дизайни, които се доближават до теоретичната граница. В резултат на това проектите са склонни да бъдат прекалено консервативни, или жертват твърде много вътрешно пространство за безопасност, или въвеждат рискове от огъване, когато се преследва крайната сила на инжектиране. Клинично има значителни-вариации-на партида и слепи петна в дизайна в „усещането“ и надеждността на устройствата. Липсата на физическа-базирана, систематична методология за проектиране е основната причина за застоялото представяне на продукта и сериозния проблем с хомогенността.

Основни технологични иновации

• Платформа за интегриране на параметричен краен елемент и много{0}}обективна оптимизация:Разработихме интегрирана среда за проектиране с независими права на интелектуална собственост, безпроблемно свързване на параметрично геометрично моделиране, нелинеен анализ на крайните елементи (FEA) и мулти{0}}обективен генетичен алгоритъм (MOGA). Потребителите трябва само да въведат външния диаметър, дебелината на стената, свойствата на материала и очаквания целеви диапазон на производителност (като минимална сила на разрушаване при натиск, максимален допустим ъгъл на огъване, минимална коравина на усукване) и платформата може автоматично да оптимизира сред хиляди възможни дизайни. Алгоритъмът приема аксиална твърдост, съпротивление на странично огъване, ефективност на торсионно предаване, тегло и т.н. като цели за оптимизация и накрая извежда поредица от не-доминирани решения (т.е. дизайнерски схеми, които не могат да бъдат подобрени в един аспект, без да се навреди на друг) на „фронта на Парето“, които инженерите могат да избират въз основа на приоритет.
• Бионична и не{0}}унифицирана база данни за преплетени слотове:Разчупвайки традиционния единен начин на мислене за прав слот, ние създадохме база данни, съдържаща десетки усъвършенствани типове слотове. Тези типове слотове са вдъхновени от естествени структури против -огъване, като например бамбукови стави, кортикални слоеве на костната тръбна система Havercus и т.н. Включително, но не само: постепенно променящи се дистанционни слотове, дъгообразни слотове за дифузия на напрежението, фрактални разклонени слотове, асиметрични торсионни слотове и др. Платформата може интелигентно да ги извиква и комбинира базови единици от тип слот за генериране на много сложни, не-равномерно разпределени, но механично ефективни съставни модели на слотове.
• Свързване на производствени ограничения и проверка на производителността:По време на цикъла на оптимизация ние иновативно вградихме „Модул за производствени ограничения“. Този модул оценява технологичността на всеки генериран дизайн в реално време, включително осъществимостта на лазерното рязане (като минимален радиус на вътрешен ъгъл, избягване на натрупване на топлина), достъпността на инструментите за полиране и дали ще генерира трудни-за-отстраняване на неравности. Алгоритъмът за оптимизация автоматично ще избегне непрактичните дизайни, като гарантира, че всяко оптимално решение е „оптимум, който може да се произведе“, директно преминавайки от цифровото пространство към производствената линия и елиминирайки „говоренето на хартия“.

Механизъм на действие

Философията на дизайна на платформата OptiSlot е „насочване на стреса, а не противопоставяне на стреса“. Генерираните модели на слотове по същество планират най-ефективния и плавен път на предаване на вътрешните сили (поток на напрежение) на тръбата при сложни натоварвания. Чрез симулация на изчислителна механика, платформата идентифицира точно „веригата на силите“, която носи основното натоварване при аксиален натиск, както и „слабите зони“, склонни към изкълчване при странични сили. Оптимизираните слотове ще запазят достатъчно непрекъснати "мостови" материали по пътя на "силовата верига", като солиден главен път; докато в „слабите зони“ или не-основните{4}}натоварващи зони стратегически се въвеждат специфични форми и посоки на слотовете. Тези слотове са като внимателно проектирани "гъвкави съединения" или "енергийни абсорбери", позволяващи на материала да претърпи малка, контролируема еластична деформация, като по този начин разсейва енергията на удара и предотвратява разпространението на локална нестабилност до пълно срутване. Този дизайн за активно управление,-базиран на полето на напрежение, постига най-икономичното и ефективно използване на разпределението на материала.

Проверка на ефикасността

Чрез сравняване на традиционния унифициран дизайн на слота с оптимизирания дизайн на OptiSlot, разликите са значителни: докато отговаря на една и съща устойчивост на натиск (като 1000N), теглото на тялото на тръбата в оптимизирания дизайн е средно намалено с 18%, или вътрешният диаметър може да бъде разширен с 15%. При три-теста за огъване, при достигане на същата деформация, натоварването, понесено от тръбното тяло с оптимизиран дизайн, е с 25%-50% по-високо от това на традиционния дизайн. По-важното е, че режимът на повреда на оптимизирания дизайн е по-„щадящ“, проявяващ се като прогресивно и многоетапно отстъпване, вместо внезапно счупване, осигурявайки ценна обратна връзка и време за реакция за оператора. В приложение за инструменти за имплантиране на спинална фузия, водещата втулка, проектирана с OptiSlot, имаше грешка на ъгъла на усукване от 60% намаление при симулирания максимален въртящ момент на импланта в сравнение с преди, а обратната връзка от хирурга беше, че има „по-меко“ усещане, беше по-предсказуемо и увереността при работа с инструмента значително се увеличи.

Стратегия и философия за научни изследвания и развитие

Нашата основна стратегия е "дизайнът стимулира производителността, симулацията замества пробата и грешката." Ние считаме усъвършенстваните технологии за изчислителна симулация и оптимизация като „супер микроскоп“ и „ускорител“ за разработването на нови медицински устройства в новата ера. Инвестирахме сериозно в изграждането на високо-компютърни клъстери и създадохме професионален екип, обхващащ механика на твърдо тяло, изчислителна математика и софтуерно инженерство. Нашата философия е: истинският иновативен дизайн често се намира в огромното пространство отвъд човешката интуиция и опит, а базираните на физиката-алгоритми за интелигентна оптимизация са най-доброто ръководство за изследване на тази непозната територия. Поели сме ангажимент да освободим инженерите от повтарящ се-основан на опита труд, позволявайки им да се съсредоточат върху дефинирането на по-модерни-изисквания за производителност и клинични проблеми, като оставяме задачата за намиране на оптималното решение на неуморните интелигентни алгоритми.

Бъдеща перспектива

В бъдеще структурната оптимизация ще премине от статична към динамична и от изолирани компоненти към системна интеграция. Ние разработваме технологията за „оптимизиране на топологията в-реално време“, която може динамично да коригира локалното разпределение на твърдостта на инструмента въз основа на навигационни данни в-време в реално време по време на операцията (като контактната сила между инструмента и костта и импеданса на тъканта). В същото време ще разширим обхвата на оптимизация от едно тръбно тяло към цялата инструментална система, включително интерфейсите за свързване между тръбното тяло и проксималната ръкохватка и дисталната работна глава, за да постигнем оптимизиране на механичните характеристики на ниво система. По-нататъшната визия е да се създаде "пазар за проектиране в облак", където клиницистите или компаниите за инструменти могат да представят своите пакети с изисквания за ефективност. Нашата облачна платформа ще върне множество виртуални-проверени оптимизирани дизайнерски схеми и свързани отчети за прогнозиране на ефективността в рамките на няколко часа, значително ускорявайки процеса от концепция до прототип на иновативни инструменти и насърчавайки пристигането на ерата на персонализирани хирургически инструменти.