Оголошення результатів

На основі обчислювальної механіки топологічна оптимізація визначає оптимальний баланс між стійкістю до вигину та високою здатністю впорскування.

Оголошення результатів

Ми використали передову-обчислювальну механіку та технології оптимізації топології, щоб успішно визначити «оптимальний кордон Парето» для продуктивності жорстких трубчастих конструкцій із пазами. На основі цього ми розробили платформу інтелектуального дизайну «OptiSlot» і супутні продукти. Ця платформа може автоматично генерувати унікальні оптимальні шаблони пазів відповідно до конкретних цільових обмежень, таких як осьова міцність, коефіцієнт опору на вигин, жорсткість на кручення та вага. Як наслідок, жорсткі труби з прорізами, виготовлені на цій платформі, мають комплексні механічні характеристики, які на 40% вищі, ніж у традиційних емпіричних конструкцій, досягаючи безпрецедентного точного балансу між опором вигину та осьовою силою ін’єкції.

Основні проблеми досліджень і розробок

У проектуванні жорстких трубчастих конструкцій інженери вже давно покладаються на емпіричні формули та методи проб-і-помилок для визначення параметрів прорізання (таких як довжина прорізу, ширина прорізу, відстань і кут). Цей підхід є не тільки неефективним, але й складним для кількісної оцінки відмінностей продуктивності між різними конструкціями, і він не може досліджувати потенційні конструкції, які наближаються до теоретичної межі. Як наслідок, конструкції мають тенденцію бути надто консервативними, або жертвуючи занадто великим внутрішнім простором заради безпеки, або вводячи ризики згинання під час досягнення кінцевої сили ін’єкції. Клінічно існують значні варіації-від-серії та сліпі плями дизайну в «відчутті» та надійності пристроїв. Відсутність фізичної-систематичної методології проектування є основною причиною низької продуктивності продукту та серйозної проблеми однорідності.

Основні технологічні інновації

• Платформа інтеграції параметричних кінцевих елементів і багато{0}}оптимізації:Ми розробили інтегроване середовище проектування з незалежними правами інтелектуальної власності, бездоганно поєднуючи параметричне геометричне моделювання, нелінійний аналіз кінцевих елементів (FEA) і багато{0}}об’єктивний генетичний алгоритм (MOGA). Користувачам потрібно лише ввести зовнішній діаметр, товщину стінки, властивості матеріалу та очікуваний цільовий діапазон продуктивності (наприклад, мінімальна сила руйнування при стисненні, максимально допустимий кут вигину, мінімальна жорсткість на кручення), і платформа зможе автоматично оптимізувати серед тисяч можливих конструкцій. Алгоритм бере осьову жорсткість, опір бічному згину, ефективність торсіонної передачі, вагу тощо як цілі оптимізації та, нарешті, виводить серію не-домінованих рішень (тобто схем дизайну, які не можна покращити в одному аспекті без шкоди для іншого) на «фронті Парето», який інженери можуть вибрати на основі пріоритету.
• Біонічна та не-уніфікована база даних слотів із чергуванням:Порушуючи традиційне уніфіковане мислення про прямі слоти, ми створили базу даних, що містить десятки вдосконалених типів слотів. Ці типи слотів натхненні природними анти{1}}згинальними структурами, такими як бамбукові з’єднання, кортикальні шари кісток системи труб Havercus тощо. Включаючи, але не обмежуючись: поступово змінювані прорізи, дугоподібні прорізи дифузії напруги, фрактальні розгалужені прорізи, асиметричні торсійні прорізи тощо. Платформа може інтелектуально викликати та комбінувати їх базові одиниці типу слотів для створення складних, не-рівномірно розподілених, але механічно ефективних складених шаблонів слотів.
• Обмеження виробництва та перевірка продуктивності:Під час циклу оптимізації ми інноваційно вбудували «Модуль виробничих обмежень». Цей модуль оцінює технологічність кожного створеного дизайну в режимі реального часу, включно з можливістю лазерного різання (наприклад, мінімальний внутрішній радіус кута, уникнення накопичення тепла), доступність полірувальних інструментів і те, чи створюватимуться складні--видалення задирок. Алгоритм оптимізації автоматично уникає непрактичних конструкцій, гарантуючи, що кожне оптимальне рішення є «оптимумом, який можна виготовити», безпосередньо переходячи з цифрового простору на виробничу лінію та усуваючи «паперові розмови».

Механізм дії

Філософія дизайну платформи OptiSlot полягає в тому, щоб «спрямовувати стрес, а не протидіяти стресу». Створені шаблони прорізів по суті планують найбільш ефективний і плавний шлях передачі внутрішніх сил (потік напруги) труби під складними навантаженнями. Завдяки моделюванню обчислювальної механіки платформа точно визначає «силовий ланцюг», який несе основне навантаження під осьовим тиском, а також «слабкі ділянки», схильні до прогинання під дією бічних сил. Оптимізовані слоти збережуть достатню кількість безперервних «мостових» матеріалів уздовж шляху «силового ланцюга», як суцільна магістральна дорога; тоді як у «слабких зонах» або не-основних-зонах, що несуть навантаження, стратегічно вводяться спеціальні форми та напрямки прорізів. Ці прорізи схожі на ретельно розроблені «гнучкі з’єднання» або «поглиначі енергії», які дозволяють матеріалу зазнавати невеликої, контрольованої пружної деформації, тим самим розсіюючи енергію удару та запобігаючи поширенню локальної нестабільності до повного руйнування. Цей дизайн-на основі поля напруги активного управління забезпечує найбільш економічне та ефективне використання розподілу матеріалу.

Перевірка ефективності

Порівнюючи традиційну уніфіковану конструкцію шліца з оптимізованою конструкцією OptiSlot, відмінності є суттєвими: при однаковій стійкості до руйнування при стиску (наприклад, 1000 Н) вага корпусу труби в оптимізованій конструкції в середньому зменшується на 18%, або внутрішній діаметр може бути збільшений на 15%. У три-випробуванні на згинання при досягненні того самого прогину навантаження, яке несе тіло труби оптимізованої конструкції, на 25%-50% вище, ніж у традиційної конструкції. Що ще важливіше, режим відмови оптимізованої конструкції є більш «м’яким», проявляється як поступова та багатоступенева текучість, а не раптовий руйнування, що забезпечує цінний зворотний зв’язок і час реакції для оператора. У застосуванні для інструментів для імплантації спондилодезу напрямна втулка, розроблена за допомогою OptiSlot, мала похибку торсійного кута на 60% менше за змодельованого максимального крутного моменту імплантату порівняно з попереднім, а відгуки хірургів полягали в тому, що вона була «м’якшою» на дотик, була більш передбачуваною, і впевненість у роботі з інструментом значно зросла.

Стратегія досліджень і розвитку та філософія

Наша основна стратегія полягає в тому, що «дизайн сприяє продуктивності, моделювання замінює метод проб і помилок». Ми розглядаємо передові технології обчислювального моделювання та оптимізації як «супермікроскоп» і «прискорювач» для розробки нових медичних пристроїв у нову еру. Ми інвестували значні кошти у створення високо-кластерів обчислень і створили професійну команду, яка охоплює механіку твердого тіла, обчислювальну математику та розробку програмного забезпечення. Наша філософія така: справжній інноваційний дизайн часто лежить у величезному просторі за межами людської інтуїції та досвіду, а алгоритми інтелектуальної оптимізації-на основі фізики є найкращим посібником для дослідження цієї невідомої території. Ми прагнемо звільнити інженерів від повторюваної-праці, що базується на досвіді, дозволяючи їм зосередитися на визначенні найсучасніших-вимог до ефективності та клінічних проблем, залишаючи завдання пошуку оптимального рішення невтомним інтелектуальним алгоритмам.

Перспективи на майбутнє

У майбутньому структурна оптимізація зміниться від статичної до динамічної, а від окремих компонентів до системної інтеграції. Ми розробляємо технологію «оптимізації топології в-реальному часі», яка може динамічно регулювати локальний розподіл жорсткості інструменту на основі-даних навігації в реальному часі під час операції (таких як сила контакту між інструментом і кісткою та імпеданс тканини). У той же час ми розширимо область оптимізації від одного корпусу трубки до всієї системи інструменту, включаючи інтерфейси з’єднання між корпусом трубки та проксимальною рукояткою, а також дистальною робочою головкою, щоб досягти оптимізації механічних характеристик на рівні системи. Подальше бачення полягає в тому, щоб створити «ринок хмарного дизайну», де клініцисти або компанії-виробники приладів зможуть подавати свої пакети вимог до продуктивності. Наша хмарна платформа поверне численні віртуальні-перевірені оптимізовані схеми проектування та відповідні звіти про прогнозування ефективності протягом кількох годин, значно прискорюючи процес від концепції до прототипу інноваційних інструментів і сприяючи приходу ери персоналізованих хірургічних інструментів.