Objava rezultata

Na temelju računalne mehanike, topološka optimizacija definira optimalnu ravnotežu između otpora na savijanje i visokog kapaciteta ubrizgavanja.

Objava rezultata

Iskoristili smo najnoviju-kompjutorsku mehaniku i tehnologije optimizacije topologije kako bismo uspješno definirali "Paretovu optimalnu granicu" za performanse krutih cijevnih struktura s utorima. Na temelju toga razvili smo platformu za inteligentni dizajn "OptiSlot" i povezane proizvode. Ova platforma može automatski generirati jedinstvene optimalne uzorke utora prema specifičnim ciljnim ograničenjima kao što su aksijalna čvrstoća, koeficijent otpora na savijanje, torzijska krutost i težina. Kao rezultat toga, krute cijevi s utorima koje proizvodi ova platforma imaju sveobuhvatnu mehaničku izvedbu koja je preko 40% veća od one tradicionalnih empirijskih dizajna, postižući neviđenu preciznu ravnotežu između otpora savijanja i aksijalne sile ubrizgavanja.

Pozadinski izazovi istraživanja i razvoja

U projektiranju krutih cijevnih struktura inženjeri su se dugo oslanjali na empirijske formule i metode pokušaja-i-pogrešaka za definiranje parametara za izradu utora (kao što su duljina utora, širina utora, razmak i kut). Ovaj pristup ne samo da je neučinkovit, već je i težak za kvantitativno procijeniti razlike u izvedbi između različitih dizajna i nije u mogućnosti istražiti potencijalne dizajne koji se približavaju teoretskom ograničenju. Kao rezultat toga, dizajni imaju tendenciju biti pretjerano konzervativni, ili žrtvujući previše unutarnjeg prostora za sigurnost ili uvodeći rizike savijanja kada se traži krajnja sila ubrizgavanja. Klinički gledano, postoje značajne-{6}}varijacije od serije do serije i slijepe točke dizajna u "osjećaju" i pouzdanosti uređaja. Nedostatak fizičke-temeljene, sustavne metodologije projektiranja temeljni je razlog stagnacije performansi proizvoda i ozbiljnog problema homogenosti.

Temeljna tehnološka inovacija

• Parametarski konačni element i integracijska platforma za više-optimizaciju:Razvili smo integrirano okruženje dizajna s neovisnim pravima intelektualnog vlasništva, neprimjetno povezujući parametričko geometrijsko modeliranje, nelinearnu analizu konačnih elemenata (FEA) i multi{0}}objektivni genetski algoritam (MOGA). Korisnici samo trebaju unijeti vanjski promjer, debljinu stijenke, svojstva materijala i očekivani ciljni raspon performansi (kao što je minimalna tlačna sila loma, najveći dopušteni kut savijanja, minimalna torzijska krutost), a platforma može automatski optimizirati između tisuća mogućih dizajna. Algoritam uzima aksijalnu krutost, otpor na bočno savijanje, učinkovitost torzionog prijenosa, težinu itd. kao ciljeve optimizacije i na kraju daje niz ne-dominantnih rješenja (tj. sheme dizajna koje se ne mogu poboljšati u jednom aspektu bez štete po drugi) na "Pareto frontu," koje inženjeri mogu odabrati na temelju prioriteta.
• Bionička i ne{0}}uniformirana baza podataka isprepletenih mjesta:Razbijajući tradicionalno ravnomjerno razmišljanje o utorima, izgradili smo bazu podataka koja sadrži desetke naprednih vrsta utora. Ove vrste utora nadahnute su prirodnim strukturama protiv-savijanja, kao što su bambusovi spojevi, kortikalni slojevi kostiju Havercus cijevnog sustava, itd. Uključujući, ali ne ograničavajući se na: proreze koji se postupno mijenjaju, utore za difuziju naprezanja-u obliku luka, utore za fraktalno grananje, asimetrične torzijske utore, itd. Platforma ih može inteligentno pozvati i kombinirati jedinice osnovnog tipa utora za generiranje vrlo složenih, ne-jednoliko raspoređenih, ali mehanički učinkovitih kompozitnih uzoraka utora.
• Povezivanje ograničenja proizvodnje i verifikacija produktivnosti:Tijekom ciklusa optimizacije, inovativno smo ugradili "Modul ograničenja proizvodnje". Ovaj modul procjenjuje mogućnost izrade svakog generiranog dizajna u stvarnom vremenu, uključujući izvedivost laserskog rezanja (kao što je minimalni radijus unutarnjeg kuta, izbjegavanje nakupljanja topline), dostupnost alata za poliranje i hoće li generirati neravnine koje je teško -ukloniti-. Algoritam za optimizaciju automatski će izbjeći nepraktične dizajne, osiguravajući da je svako optimalno rješenje "proizvodni optimum", izravno premještajući iz digitalnog prostora na proizvodnu liniju i eliminirajući "priče o papiru".

Mehanizam djelovanja

Filozofija dizajna OptiSlot platforme je "voditi stres, a ne suprotstavljati se stresu." Generirani uzorci utora u biti planiraju najučinkovitiji i glatki prijenosni put za unutarnje sile (tok naprezanja) cijevi pod složenim opterećenjima. Kroz simulaciju računalne mehanike, platforma točno identificira "lanac sila" koji nosi glavno opterećenje pod aksijalnim pritiskom, kao i "slaba područja" sklona izvijanju pod bočnim silama. Optimizirani utori će zadržati dovoljno kontinuiranih "premostnih" materijala duž putanje "lanca sile", poput čvrste glavne ceste; dok se u "slabim područjima" ili ne-primarnim-nosivim zonama strateški uvode specifični oblici i smjerovi proreza. Ovi utori su poput pažljivo dizajniranih "fleksibilnih spojeva" ili "apsorbera energije", koji dopuštaju materijalu da prođe malu, kontroliranu elastičnu deformaciju, čime se rasipa energija udarca i sprječava širenje lokalne nestabilnosti do potpunog kolapsa. Ovaj dizajn-aktivnog upravljanja temeljen na polju naprezanja postiže najekonomičniju i najučinkovitiju upotrebu distribucije materijala.

Provjera učinkovitosti

Usporedbom tradicionalnog jedinstvenog dizajna utora s OptiSlot optimiziranim dizajnom, razlike su značajne: dok zadovoljava istu otpornost na tlačno slom (kao što je 1000N), težina tijela cijevi u optimiziranom dizajnu u prosjeku je smanjena za 18%, ili se unutarnji promjer može proširiti za 15%. U testu savijanja u tri-točke, pri postizanju iste deformacije, opterećenje koje nosi tijelo cijevi optimiziranog dizajna je 25%-50% veće od onog kod tradicionalnog dizajna. Što je još važnije, način kvara optimiziranog dizajna je "nježniji", očituje se kao progresivno i višestupanjsko popuštanje, umjesto iznenadnog loma, pružajući dragocjenu povratnu informaciju i vrijeme reakcije za operatera. U primjeni za alate za implantate spinalne fuzije, čahura za vođenje dizajnirana s OptiSlot-om imala je pogrešku torzijskog kuta od 60% smanjenja pod simuliranim maksimalnim zakretnim momentom implantata u usporedbi s prethodnim, a povratna informacija kirurga bila je da ima "mekši" osjećaj, da je predvidljiviji i da se pouzdanost u rukovanje instrumentom značajno povećala.

Strategija istraživanja i razvoja i filozofija

Naša temeljna strategija je "dizajn potiče izvedbu, simulacija zamjenjuje pokušaje i pogreške." Napredne tehnologije računalne simulacije i optimizacije smatramo "super mikroskopom" i "motorom za ubrzavanje" za razvoj novih medicinskih uređaja u novoj eri. Puno smo uložili u izgradnju klastera visokih-računalnih performansi i kultivirali profesionalni tim koji obuhvaća mehaniku čvrstog tijela, računsku matematiku i softversko inženjerstvo. Naša filozofija je: pravi inovativni dizajn često leži u golemom prostoru izvan ljudske intuicije i iskustva, a inteligentni optimizacijski algoritmi-temeljeni na fizici najbolji su vodič za istraživanje ovog nepoznatog područja. Predani smo oslobađanju inženjera od ponavljajućeg rada-temeljenog na iskustvu, omogućujući im da se usredotoče na definiranje najsuvremenijih-zahtjeva performansi i kliničkih problema, dok zadatak pronalaženja optimalnog rješenja prepuštamo neumornim inteligentnim algoritmima.

Buduća perspektiva

U budućnosti će se strukturna optimizacija pomaknuti sa statičke na dinamičku i s izoliranih komponenti na integraciju sustava. Razvijamo tehnologiju "optimizacije topologije u stvarnom-vremenu", koja može dinamički prilagoditi lokalnu distribuciju krutosti instrumenta na temelju-navigacijskih podataka tijekom operacije (kao što je kontaktna sila između instrumenta i kosti i impedancija tkiva). U isto vrijeme, proširit ćemo opseg optimizacije s jednog tijela cijevi na cijeli sustav instrumenta, uključujući spojna sučelja između tijela cijevi i proksimalne ručke, te distalne radne glave, kako bismo postigli optimizaciju mehaničkih performansi na razini sustava. Daljnja vizija je uspostaviti "tržište dizajna u oblaku", gdje kliničari ili tvrtke koje se bave instrumentima mogu predati svoje pakete zahtjeva za performanse. Naša platforma u oblaku vratit će više virtualnih-provjerenih optimiziranih shema dizajna i povezanih izvješća o predviđanju performansi u roku od nekoliko sati, značajno ubrzavajući proces od koncepta do prototipa inovativnih instrumenata i promičući dolazak ere personaliziranih kirurških instrumenata.