Vyhlášení výsledků

Na základě výpočetní mechaniky definuje topologická optimalizace optimální rovnováhu mezi odolností proti ohybu a vysokou vstřikovací kapacitou.

Vyhlášení výsledků

Použili jsme špičkovou-výpočetní mechaniku a technologie optimalizace topologie k úspěšnému definování „Paretovy optimální hranice“ pro výkon pevných trubkových konstrukcí se sloty. Na základě toho jsme vyvinuli platformu inteligentního designu „OptiSlot“ a související produkty. Tato platforma dokáže automaticky generovat jedinečné optimální vzory drážek podle specifických cílových omezení, jako je axiální pevnost, koeficient ohybového odporu, torzní tuhost a hmotnost. Výsledkem je, že tuhé trubky se štěrbinami vyrobené touto platformou mají komplexní mechanický výkon, který je o více než 40 % vyšší než u tradičních empirických konstrukcí, čímž je dosaženo bezprecedentně přesné rovnováhy mezi odolností v ohybu a axiální vstřikovací silou.

Výzvy na pozadí výzkumu a vývoje

Při navrhování konstrukcí tuhých trubek se inženýři při definování parametrů pro drážkování (jako je délka drážky, šířka drážky, rozteč a úhel) dlouho spoléhali na empirické vzorce a metody pokus{0}}a{1}}omyl. Tento přístup je nejen neefektivní, ale také obtížně kvantitativně vyhodnotit výkonnostní rozdíly mezi různými návrhy a není schopen prozkoumat potenciální návrhy, které se blíží teoretickému limitu. Výsledkem je, že konstrukce bývají příliš konzervativní, protože buď obětují příliš mnoho vnitřního prostoru pro bezpečnost, nebo zavádějí rizika ohýbání při snaze o maximální vstřikovací sílu. Z klinického hlediska existují významné variace-k-dávce a navrhování slepých míst v „pocitu“ a spolehlivosti zařízení. Absence fyzické-založené systematické metodologie návrhu je základním důvodem stagnujícího výkonu produktu a vážného problému s homogenitou.

Základní technologická inovace

• Platforma pro integraci parametrických konečných prvků a více{0}}cílových optimalizací:Vyvinuli jsme integrované návrhové prostředí s nezávislými právy duševního vlastnictví, které hladce propojuje parametrické geometrické modelování, nelineární analýzu konečných prvků (FEA) a multi{0}}objektivní genetický algoritmus (MOGA). Uživatelé potřebují pouze zadat vnější průměr, tloušťku stěny, vlastnosti materiálu a očekávaný cílový rozsah výkonu (jako je minimální síla při porušení tlaku, maximální přípustný úhel ohybu, minimální torzní tuhost) a platforma se může automaticky optimalizovat mezi tisíci možných návrhů. Algoritmus bere jako optimalizační cíle axiální tuhost, boční odpor v ohybu, účinnost torzního převodu, hmotnost atd. a nakonec vytváří řadu nedominovaných řešení (tj. návrhových schémat, která nelze vylepšit v jednom aspektu, aniž by poškodila jiný) na „Paretově přední straně“, která mohou inženýři vybrat na základě priority.
• Bionická a-jednotná databáze prokládaných slotů:Prolomili jsme tradiční jednotné uvažování s přímými sloty a vytvořili jsme databázi obsahující desítky pokročilých typů slotů. Tyto typy slotů jsou inspirovány přirozenými -ohybovými strukturami, jako jsou bambusové spoje, kortikální vrstvy kostního systému Havercusových trubic atd. Včetně, ale bez omezení na: postupně se měnící mezery, obloukové -štěrbiny pro difúzi napětí, fraktální větvené sloty, asymetrické torzní sloty atd. distribuované, ale mechanicky účinné kompozitní drážkové vzory.
• Výrobní omezení spojky a ověření produktivity:Během optimalizačního cyklu jsme inovativně začlenili „Manufacturing Constraint Module“. Tento modul vyhodnocuje vyrobitelnost každého vygenerovaného návrhu v reálném čase, včetně proveditelnosti řezání laserem (jako je minimální poloměr vnitřního úhlu, zamezení hromadění tepla), dosažitelnost leštících nástrojů a zda způsobí obtížné--odstranění otřepů. Optimalizační algoritmus se automaticky vyhne nepraktickým návrhům, zajistí, že každé optimální řešení bude „vyrobitelné optimum“, přesune se přímo z digitálního prostoru na výrobní linku a eliminuje „papírování“.

Mechanismus působení

Filozofií designu platformy OptiSlot je „vodit stres, ne oponovat stresu“. Vygenerované vzory štěrbin v podstatě plánují nejúčinnější a nejhladší přenosovou cestu pro vnitřní síly (tok napětí) v trubce při komplexním zatížení. Prostřednictvím simulace výpočetní mechaniky platforma přesně identifikuje „silový řetězec“, který nese hlavní zatížení pod axiálním tlakem, a také „slabá místa“ náchylná k vybočení vlivem bočních sil. Optimalizované sloty udrží dostatek souvislých „přemosťujících“ materiálů podél cesty „silového řetězu“, jako pevná hlavní silnice; zatímco ve „slabých oblastech“ neboli -primární zátěžové-zóny jsou strategicky zavedeny specifické tvary a směry slotů. Tyto štěrbiny jsou jako pečlivě navržené „flexibilní spoje“ nebo „absorbéry energie“, které umožňují materiálu podstoupit malou, ovladatelnou elastickou deformaci, čímž rozptýlí energii nárazu a zabrání rozšíření místní nestability do úplného zhroucení. Tento návrh aktivního řízení-založený na zátěžových polích dosahuje nejhospodárnějšího a nejefektivnějšího využití distribuce materiálu.

Ověření účinnosti

Porovnáním tradiční jednotné konstrukce štěrbiny s optimalizovanou konstrukcí OptiSlot jsou rozdíly značné: při splnění stejné odolnosti proti selhání v tlaku (jako je 1 000 N) je hmotnost těla trubky v optimalizované konstrukci snížena v průměru o 18 % nebo lze vnitřní průměr rozšířit o 15 %. Při tříbodovém testu ohybu při dosažení stejného průhybu je zatížení optimalizované designovým tělem trubky o 25 %-50 % vyšší než u tradičního designu. Ještě důležitější je, že způsob selhání optimalizovaného návrhu je „jemnější“, projevuje se jako progresivní a vícestupňová poddajnost, spíše než náhlé prasknutí, což poskytuje obsluze cennou zpětnou vazbu a reakční čas. V aplikaci pro nástroje spinálních fúzních implantátů měla vodicí objímka navržená pomocí OptiSlot chybu torzního úhlu o 60 % zmenšení pod simulovaným maximálním momentem implantátu ve srovnání s dříve a zpětná vazba od chirurga byla, že má „měkčí“ pocit, byla předvídatelnější a spolehlivost při ovládání nástroje se výrazně zvýšila.

Strategie výzkumu a vývoje a filozofie

Naší základní strategií je „design řídí výkon, simulace nahrazuje pokusy a omyly“. Pokročilé technologie výpočetní simulace a optimalizace považujeme za „supermikroskop“ a „urychlovací motor“ pro vývoj nových lékařských přístrojů v nové době. Hodně jsme investovali do budování-výkonných počítačových clusterů a vybudovali jsme profesionální tým zahrnující mechaniku pevných látek, výpočetní matematiku a softwarové inženýrství. Naší filozofií je: skutečný inovativní design se často nachází v obrovském prostoru za lidskou intuicí a zkušenostmi a inteligentní optimalizační algoritmy-založené na fyzice jsou tím nejlepším průvodcem pro objevování tohoto neznámého území. Zavázali jsme se osvobodit inženýry od opakující se práce-založené na zkušenostech a umožnit jim soustředit se na definování špičkových-požadavků na výkon a klinických problémů, přičemž úkol najít optimální řešení přenecháme neúnavným inteligentním algoritmům.

Výhled do budoucnosti

V budoucnu se strukturální optimalizace posune od statické k dynamické a od izolovaných komponent k systémové integraci. Vyvíjíme technologii „optimalizace topologie v reálném čase{1}“, která dokáže dynamicky upravovat místní rozložení tuhosti nástroje na základě navigačních dat v reálném čase- během operace (jako je kontaktní síla mezi nástrojem a kostí a impedance tkáně). Současně rozšíříme rozsah optimalizace z jednoho těla trubice na celý systém nástroje, včetně spojovacích rozhraní mezi tělem trubice a proximální rukojetí a distální pracovní hlavou, abychom dosáhli optimalizace mechanického výkonu na úrovni systému. Další vizí je vytvořit „trh cloudového designu“, kde mohou lékaři nebo výrobci přístrojů předkládat své balíčky požadavků na výkon. Naše cloudová platforma během několika hodin vrátí několik virtuálních-ověřených optimalizovaných návrhových schémat a souvisejících předpovědních zpráv o výkonu, což výrazně urychlí proces od konceptu k prototypu inovativních nástrojů a podpoří příchod éry personalizovaných chirurgických nástrojů.