Объявление результатов

Топологическая оптимизация, основанная на вычислительной механике, определяет оптимальный баланс между устойчивостью к изгибу и высокой производительностью впрыска.

Объявление результатов

Мы использовали новейшую-вычислительную механику и технологии оптимизации топологии, чтобы успешно определить «оптимальную по Парето границу» характеристик жестких трубчатых конструкций с пазами. На основе этого мы разработали платформу интеллектуального проектирования «OptiSlot» и сопутствующие продукты. Эта платформа может автоматически генерировать уникальные оптимальные схемы пазов в соответствии с конкретными целевыми ограничениями, такими как осевая прочность, коэффициент сопротивления изгибу, жесткость на кручение и вес. В результате жесткие трубы с пазами, изготовленные на этой платформе, имеют комплексные механические характеристики, которые более чем на 40% выше, чем у традиционных эмпирических конструкций, обеспечивая беспрецедентно точный баланс между сопротивлением изгибу и осевой силой впрыска.

Основные проблемы исследований и разработок

При проектировании жестких трубчатых конструкций инженеры уже давно полагаются на эмпирические формулы и методы проб-и-ошибок для определения параметров прорези (таких как длина прорези, ширина прорези, расстояние и угол). Этот подход не только неэффективен, но и сложен для количественной оценки различий в производительности между различными конструкциями, и он не позволяет исследовать потенциальные конструкции, приближающиеся к теоретическому пределу. В результате конструкции имеют тенденцию быть чрезмерно консервативными, либо жертвуя слишком большим внутренним пространством ради безопасности, либо создавая риск изгиба при достижении максимальной силы впрыска. Клинически существуют значительные различия-от-партий, а также "слепые пятна" конструкции в отношении "ощущений" и надежности устройств. Отсутствие физической-систематической методологии проектирования является фундаментальной причиной низкой производительности продукта и серьезной проблемы однородности.

Основные технологические инновации

• Платформа интеграции параметрических конечных элементов и многоцелевой оптимизации:Мы разработали интегрированную среду проектирования с независимыми правами интеллектуальной собственности, органично сочетающую параметрическое геометрическое моделирование, нелинейный анализ методом конечных элементов (FEA) и многокритериальный генетический алгоритм (MOGA). Пользователям нужно только ввести внешний диаметр, толщину стенки, свойства материала и ожидаемый целевой диапазон производительности (например, минимальную силу разрушения при сжатии, максимально допустимый угол изгиба, минимальную жесткость на кручение), и платформа может автоматически оптимизировать среди тысяч возможных конструкций. Алгоритм принимает осевую жесткость, сопротивление боковому изгибу, эффективность передачи крутильных движений, вес и т. д. в качестве целей оптимизации и, наконец, выводит ряд не-доминируемых решений (т. е. схем проектирования, которые нельзя улучшить в одном аспекте, не нанеся вреда другому) на «фронте Парето», которые инженеры могут выбрать в зависимости от приоритета.
• База данных бионических и неоднородных-слотов с чересстрочной разверткой:Нарушая традиционное стереотипное мышление, мы создали базу данных, содержащую десятки продвинутых типов игровых автоматов. Эти типы пазов созданы на основе естественных-структур, препятствующих изгибу, таких как бамбуковые суставы, кортикальные слои костей, система трубчатых трубок Гаверка и т. д. Включая, помимо прочего: постепенно изменяющиеся промежутки между пазами, дуговые-образные пазы для диффузии напряжений, фрактальные ветвящиеся пазы, асимметричные торсионные пазы и т. д. Платформа может интеллектуально вызывать и комбинировать эти базовые элементы типа пазов для создания очень сложных, не-равномерно распределенных, но механически эффективных составных шаблонов пазов.
• Соединение производственных ограничений и проверка производительности:В ходе цикла оптимизации мы инновационно внедрили «Модуль производственных ограничений». Этот модуль оценивает технологичность каждой созданной конструкции в режиме реального времени, включая возможность лазерной резки (например, минимальный радиус внутреннего угла, позволяющий избежать накопления тепла), доступность полировальных инструментов и возможность образования заусенцев, которые трудно --удалить. Алгоритм оптимизации будет автоматически избегать непрактичных проектов, гарантируя, что каждое оптимальное решение является «технологичным оптимальным», напрямую перемещаясь из цифрового пространства на производственную линию и устраняя «бумажные разговоры».

Механизм действия

Философия дизайна платформы OptiSlot — «направлять стресс, а не противодействовать ему». Сгенерированные шаблоны пазов по существу планируют наиболее эффективный и плавный путь передачи внутренних сил (потока напряжений) трубы при сложных нагрузках. Благодаря компьютерно-механическому моделированию платформа точно определяет «цепь сил», на которую приходится основная нагрузка под действием осевого давления, а также «слабые места», склонные к короблению под действием боковых сил. Оптимизированные пазы сохранят достаточное количество непрерывных «мостиковых» материалов вдоль пути «силовой цепи», как на твердой главной дороге; в то время как в «слабых местах» или зонах, не несущих -основную нагрузку-, стратегически вводятся специальные формы и направления пазов. Эти пазы подобны тщательно спроектированным «гибким соединениям» или «поглотителям энергии», позволяющим материалу подвергаться небольшой контролируемой упругой деформации, тем самым рассеивая энергию удара и предотвращая распространение локальной нестабильности до полного разрушения. Эта схема активного управления, основанная на-поле напряжений, обеспечивает наиболее экономичное и эффективное использование распределения материалов.

Проверка эффективности

При сравнении традиционной конструкции с единым пазом и оптимизированной конструкцией OptiSlot различия значительны: при одинаковом сопротивлении разрушению при сжатии (например, 1000 Н) вес тела трубки в оптимизированной конструкции в среднем снижается на 18 %, а внутренний диаметр может быть увеличен на 15 %. При испытании на трехточечный изгиб-при достижении того же прогиба нагрузка, которую несет трубчатый корпус оптимизированной конструкции, на 25 %-50 % выше, чем у традиционной конструкции. Что еще более важно, режим отказа оптимизированной конструкции более «мягкий» и проявляется в постепенной и многоступенчатой ​​деформации, а не в внезапном разрушении, что обеспечивает ценную обратную связь и время реакции для оператора. При использовании инструментов для имплантатов для спондилодеза направляющая втулка, разработанная с использованием OptiSlot, имела ошибку угла скручивания на 60% меньше при моделируемом максимальном крутящем моменте имплантата по сравнению с предыдущим вариантом, а отзывы хирургов заключались в том, что она стала более «мягкой» на ощупь, была более предсказуемой, и уверенность в использовании инструмента значительно возросла.

Стратегия и философия исследований и разработок

Наша основная стратегия: «Проектирование обеспечивает производительность, моделирование заменяет метод проб и ошибок». Мы рассматриваем передовые технологии компьютерного моделирования и оптимизации как «супермикроскоп» и «ускорительный двигатель» для разработки новых медицинских устройств в новую эпоху. Мы вложили значительные средства в создание высокопроизводительных вычислительных кластеров-и создали профессиональную команду, занимающуюся механикой твердого тела, вычислительной математикой и разработкой программного обеспечения. Наша философия такова: настоящий инновационный дизайн часто находится за пределами человеческой интуиции и опыта, а интеллектуальные алгоритмы оптимизации,-основанные на физике, являются лучшим руководством для исследования этой неизведанной территории. Мы стремимся освободить инженеров от повторяющегося труда,-основанного на опыте, позволяя им сосредоточиться на определении более современных-требований к производительности и клинических проблемах, оставляя при этом задачу поиска оптимального решения неутомимым интеллектуальным алгоритмам.

Перспективы на будущее

В будущем структурная оптимизация перейдет от статической к динамической и от изолированных компонентов к системной интеграции. Мы разрабатываем технологию «оптимизации топологии в реальном- времени», которая позволяет динамически регулировать локальное распределение жесткости инструмента на основе навигационных данных в-времени во время операции (таких как сила контакта между инструментом и костью и импеданс ткани). В то же время мы расширим область оптимизации от одного корпуса трубки до всей системы инструментов, включая интерфейсы соединения между корпусом трубки и проксимальной рукояткой, а также дистальной рабочей головкой, чтобы добиться оптимизации механических характеристик на уровне системы. Дальнейшее видение заключается в создании «рынка облачного проектирования», на котором врачи или компании, производящие инструменты, смогут представлять свои пакеты требований к производительности. Наша облачная платформа в течение нескольких часов вернет несколько виртуальных-проверенных оптимизированных схем проектирования и соответствующих отчетов о прогнозировании производительности, что значительно ускоряет процесс от концепции до прототипа инновационных инструментов и способствует наступлению эры персонализированных хирургических инструментов.