Vyhlásenie výsledkov

Na základe výpočtovej mechaniky definuje topologická optimalizácia optimálnu rovnováhu medzi odolnosťou proti ohybu a vysokou vstrekovacou kapacitou.

Vyhlásenie výsledkov

Použili sme špičkovú{0}}výpočtovú mechaniku a technológie optimalizácie topológie, aby sme úspešne definovali „Paretovu optimálnu hranicu“ pre výkon pevných rúrových konštrukcií s drážkami. Na základe toho sme vyvinuli platformu inteligentného dizajnu „OptiSlot“ a jej súvisiace produkty. Táto platforma dokáže automaticky generovať jedinečné optimálne vzory štrbín podľa špecifických cieľových obmedzení, ako je axiálna pevnosť, koeficient ohybového odporu, torzná tuhosť a hmotnosť. Výsledkom je, že tuhé rúrky so štrbinami vyrábané touto platformou majú komplexný mechanický výkon, ktorý je o viac ako 40 % vyšší ako u tradičných empirických konštrukcií, čím sa dosahuje bezprecedentne presná rovnováha medzi odporom v ohybe a axiálnou vstrekovacou silou.

Výzvy na pozadí výskumu a vývoja

Pri navrhovaní pevných rúrových konštrukcií sa inžinieri pri definovaní parametrov drážkovania (ako je dĺžka drážky, šírka drážky, rozstup a uhol) už dlho spoliehali na empirické vzorce a metódy pokus{0}}a{1}}omyl. Tento prístup je nielen neefektívny, ale je tiež ťažké kvantitatívne vyhodnotiť výkonnostné rozdiely medzi rôznymi návrhmi a nie je schopný preskúmať potenciálne návrhy, ktoré sa približujú k teoretickému limitu. Výsledkom je, že dizajn má tendenciu byť príliš konzervatívny, buď obetuje príliš veľa vnútorného priestoru pre bezpečnosť, alebo predstavuje riziko ohybu pri vynaložení maximálnej vstrekovacej sily. Z klinického hľadiska existujú významné variácie-k-sérií a dizajn slepých miest v „pocite“ a spoľahlivosti zariadení. Chýbajúca fyzická- metodológia systematického návrhu je základným dôvodom stagnujúceho výkonu produktu a vážneho problému s homogenitou.

Základná technologická inovácia

• Platforma integrácie parametrických konečných prvkov a viac{0}}cieľovej optimalizácie:Vyvinuli sme integrované dizajnérske prostredie s nezávislými právami duševného vlastníctva, ktoré hladko spája parametrické geometrické modelovanie, nelineárnu analýzu konečných prvkov (FEA) a multi{0}}objektívny genetický algoritmus (MOGA). Používatelia musia zadať iba vonkajší priemer, hrúbku steny, vlastnosti materiálu a očakávaný cieľový rozsah výkonu (ako je minimálna sila pri porušení tlaku, maximálny povolený uhol ohybu, minimálna torzná tuhosť) a platforma sa môže automaticky optimalizovať medzi tisíckami možných návrhov. Algoritmus berie ako optimalizačné ciele axiálnu tuhosť, odpor v priečnom ohybe, účinnosť torzného prevodu, hmotnosť atď. a nakoniec vytvára sériu neprevládajúcich - riešení (t. j. návrhových schém, ktoré nemožno vylepšiť v jednom aspekte bez poškodenia iného) na „Paretovom fronte“, ktoré si inžinieri môžu vybrať na základe priority.
• Bionická a nejednotná{0}}databáza prekladaných slotov:Prelomili sme tradičné jednotné myslenie na automatoch a vytvorili sme databázu obsahujúcu desiatky pokročilých typov automatov. Tieto typy štrbín sú inšpirované prirodzenými-ohybovými štruktúrami, ako sú bambusové kĺby, kortikálne vrstvy kostného systému Havercusových trubíc atď. Vrátane, ale nie výlučne: postupne sa meniacich štrbín, oblúkových -štrbín na difúziu napätia, fraktálne vetvených štrbín, asymetrických torzných štrbín atď. distribuované, ale mechanicky účinné kompozitné štrbinové vzory.
• Výrobné obmedzenie spojenia a overenie produktivity:Počas optimalizačného cyklu sme inovatívne vložili „modul výrobných obmedzení“. Tento modul vyhodnocuje vyrobiteľnosť každého vytvoreného dizajnu v reálnom čase, vrátane uskutočniteľnosti rezania laserom (napríklad minimálny vnútorný polomer uhla, vyhýbanie sa hromadeniu tepla), dostupnosť leštiacich nástrojov a to, či spôsobí ťažké--odstránenie otrepov. Optimalizačný algoritmus sa automaticky vyhne nepraktickým návrhom a zabezpečí, že každé optimálne riešenie bude „vyrobiteľné optimum“, ktoré sa presunie priamo z digitálneho priestoru do výrobnej linky a odstráni „papierové reči“.

Mechanizmus účinku

Filozofiou dizajnu platformy OptiSlot je „vodiť stres, nie oponovať stresu“. Vygenerované vzory štrbín v podstate plánujú najefektívnejšiu a najhladšiu prenosovú cestu pre vnútorné sily (tok napätia) rúrky pri komplexnom zaťažení. Prostredníctvom simulácie výpočtovej mechaniky platforma presne identifikuje „silový reťazec“, ktorý nesie hlavnú záťaž pod axiálnym tlakom, ako aj „slabé oblasti“, ktoré sú náchylné na vybočenie pri bočných silách. Optimalizované sloty zachovajú dostatok súvislých „premosťovacích“ materiálov pozdĺž dráhy „silovej reťaze“, ako je pevná hlavná cesta; zatiaľ čo v „slabých oblastiach“ alebo v oblastiach, ktoré nie sú -primárnou záťažou-, sú strategicky zavedené špecifické tvary a smery slotov. Tieto štrbiny sú ako starostlivo navrhnuté "flexibilné kĺby" alebo "absorbéry energie", ktoré umožňujú materiálu podstúpiť malú, kontrolovateľnú elastickú deformáciu, čím sa rozptýli nárazová energia a zabráni sa lokálnej nestabilite, aby sa rozšírila do úplného kolapsu. Tento návrh aktívneho riadenia-založený na stresovom poli dosahuje najhospodárnejšie a najefektívnejšie využitie distribúcie materiálu.

Overenie účinnosti

Porovnaním tradičného jednotného dizajnu štrbín s optimalizovaným dizajnom OptiSlot sú rozdiely značné: pri rovnakej odolnosti proti zlyhaniu v tlaku (napríklad 1 000 N) sa hmotnosť tela rúrky v optimalizovanom dizajne zníži v priemere o 18 % alebo sa vnútorný priemer môže zväčšiť o 15 %. Pri trojbodovom ohybovom teste pri dosiahnutí rovnakého priehybu je zaťaženie optimalizovaného konštrukčného telesa rúry o 25 %-50 % vyššie ako pri tradičnom dizajne. Ešte dôležitejšie je, že režim zlyhania optimalizovaného dizajnu je „jemnejší“ a prejavuje sa ako progresívna a viacstupňová poddajnosť, a nie náhly zlom, čo poskytuje operátorovi cennú spätnú väzbu a reakčný čas. V aplikácii pre nástroje na implantáciu spinálnej fúzie mala vodiaca objímka navrhnutá s OptiSlot chybu torzného uhla o 60 % zníženú pri simulovanom maximálnom krútiacom momente implantátu v porovnaní s predtým a spätná väzba od chirurga bola, že mala „mäkší“ pocit, bola predvídateľnejšia a dôvera v ovládanie nástroja sa výrazne zvýšila.

Stratégia výskumu a vývoja a filozofia

Našou hlavnou stratégiou je „dizajn poháňa výkon, simulácia nahrádza pokusy a omyly“. Pokročilé výpočtové simulačné a optimalizačné technológie považujeme za „supermikroskop“ a „urýchľovací motor“ pre vývoj nových medicínskych zariadení v novej ére. Veľa sme investovali do budovania-výkonných výpočtových klastrov a vybudovali sme profesionálny tím zahŕňajúci mechaniku pevných látok, výpočtovú matematiku a softvérové ​​inžinierstvo. Naša filozofia je: skutočný inovatívny dizajn sa často nachádza v obrovskom priestore mimo ľudskej intuície a skúseností a inteligentné optimalizačné algoritmy-založené na fyzike sú tým najlepším sprievodcom pri objavovaní tohto neznámeho územia. Zaviazali sme sa oslobodiť inžinierov od opakujúcej sa práce-založenej na skúsenostiach, čo im umožní zamerať sa na definovanie špičkových-požiadaviek na výkon a klinických problémov, pričom úlohu nájsť optimálne riešenie prenechávame neúnavným inteligentným algoritmom.

Výhľad do budúcnosti

V budúcnosti sa štrukturálna optimalizácia presunie zo statickej na dynamickú a od izolovaných komponentov k systémovej integrácii. Vyvíjame technológiu „optimalizácie topológie v reálnom čase“{1}, ktorá dokáže dynamicky upravovať miestne rozloženie tuhosti nástroja na základe navigačných údajov v reálnom čase- počas operácie (ako je kontaktná sila medzi nástrojom a kosťou a impedancia tkaniva). Zároveň rozšírime rozsah optimalizácie z jedného tela trubice na celý systém prístroja vrátane spojovacích rozhraní medzi telom trubice a proximálnou rukoväťou a distálnej pracovnej hlavice, aby sme dosiahli optimalizáciu mechanického výkonu na úrovni systému. Ďalšou víziou je vytvoriť „trh cloudového dizajnu“, kde môžu lekári alebo spoločnosti zaoberajúce sa prístrojmi predložiť svoje balíky požiadaviek na výkon. Naša cloudová platforma vráti viaceré virtuálne-overené optimalizované schémy dizajnu a súvisiace správy predpovedí výkonu v priebehu niekoľkých hodín, čím sa výrazne urýchli proces od konceptu k prototypu inovatívnych nástrojov a podporí sa príchod éry personalizovaných chirurgických nástrojov.