Оголошення результатів

Ми революційно запровадили новий тип двонаправленої шарнірної труби на основі структури «з’єднаної головоломки», досягнувши ідеальної єдності точного відхилення в одній-площині та високого опору згинанню. Ця конструкція завдяки унікальній лазерній-схемі різання обмежує згинальний рух в одній площині (вгору/вниз), зберігаючи при цьому осьову тягу та здатність передавати крутний момент 1:1. Завдяки біомеханічним випробуванням точність кута відхилення нової шарнірної труби досягає ±0,3 градуса, жорсткість осьового стиснення збільшена на 40%, а жорсткість на кручення збільшена на 35%. Це забезпечує безпрецедентний рівень точності контролю при складних внутрішньопорожнинних операціях.

Основні проблеми досліджень і розробок

Традиційна конструкція шарнірної труби має три основні структурні недоліки: по-перше, існує проблема з’єднання з кількома-ступенями--свободи. Більшість шарнірних труб демонструють непотрібні бічні рухи та обертання під час згинання, що робить керування непередбачуваним. По-друге, існує протиріччя між осьовою жорсткістю та гнучкістю при вигині. Збільшення гнучкості обов'язково приносить в жертву потужність передачі тяги та крутного моменту. По-третє, відмова від втоми виникає через концентрацію напруги. Традиційна схема різання утворює точки концентрації напруги в місцях з’єднання, стаючи причиною виникнення втомних тріщин. Технічний аналіз показує, що традиційна шарнірна трубка зі спіральним-різом генерує бічний кут до 15 градусів під час згинання, а під час роботи в тонкій анатомічній області вона може відхилятися від цілі на 3-5 міліметрів. Моделювання методом кінцевих елементів показує, що коефіцієнт концентрації напруги традиційної конструкції становить 3,2-4,5, тоді як нова блокуюча конструкція може бути зменшена до 1,8-2,2.

Основні технологічні інновації

1. Біонічна переплетена структура головоломки:Натхненний фасетковими суглобами людського хребта, було розроблено дво{0}}з’єднану головоломку-. Кожен з’єднувальний вузол складається по черзі з опуклих і увігнутих структур, причому опукла частина вбудована в увігнуту частину, щоб утворити механічне з’єднання. Ця конструкція обмежує рух в одній площині, одночасно розсіюючи напругу через поверхневий контакт, зменшуючи коефіцієнт концентрації напруги на 55%. Щілина в суглобі точно контролюється в 15 ± 1 мікрометр, що забезпечує плавний і безперешкодний рух.
2. Градієнтний дизайн зі змінною жорсткістю:Градієнт жорсткості розроблений уздовж довжини труби. Проксимальний сегмент має високу -жорсткість (низька щільність суглоба та велика товщина стінки), що забезпечує передачу тяги та крутного моменту; у середньому сегменті використовується шаблон-середньої жорсткості, контроль балансування та підтримка; у дистальному сегменті використовується модель високої-гнучкості (висока щільність з’єднання та невелика товщина стінки), що дозволяє досягти великого{4}}кутового відхилення. Завдяки параметричному моделюванню для оптимізації розподілу жорсткості пристрій зберігає оптимальну форму під час проходження по вигнутому анатомічному шляху.
3. Інтегровані направляючі канали дроту:Усередині стінки труби розроблено спеціальний канал для дроту, утворений лазерним різанням напів-закритої напрямної. Внутрішня поверхня каналу спеціально відполірована (Ra менше або дорівнює 0,05 мікрометра), що зменшує тертя дроту. Поперечний-переріз каналу оптимізовано, щоб він був еліптичним-, утворюючи лінійний контакт, а не точковий контакт із круглим дротом, зменшуючи коефіцієнт тертя з 0,15 до 0,08. Направляючий канал гарантує, що дріт завжди рухається по заданій траєкторії, усуваючи бічні відхилення.

Механізм дії

Суть інноваційного структурного дизайну полягає в «відокремленні та оптимізації». З точки зору кінематичної розв’язки, блокуюча структура головоломки усуває бічні ступені свободи через геометричні обмеження, забезпечуючи чистий плоский рух; при натягуванні дроту опукла і увігнута структури зчіплюються між собою, утворюючи жорстке з’єднання, яке передає тягу і крутний момент. З точки зору механічної оптимізації, конструкція зі змінною жорсткістю дозволяє інструменту адаптуватися до вимог різних анатомічних сегментів: у прямому сегменті (такому як середній сегмент сечоводу) потрібна висока жорсткість для підтримки стабільності форми; у вигнутому сегменті (такому як ниркова миска-сечовід) необхідна відповідна гнучкість для пристосування до анатомії; у цільовій області (наприклад, нирковій чашечці) необхідна висока гнучкість для досягнення великого -кутового відхилення. З точки зору динаміки рідини, оптимізована схема різання зменшує опір потоку, завдяки збільшенню швидкості потоку на 25% в умовах перфузії та покращеній чіткості зору.

Перевірка ефективності

У імітаційних анатомічних моделях новий тип шарнірної трубки показав винятково хороші результати: у імітаційній моделі сечоводу частота успішного проходження інструменту через вигнуту секцію зросла з 82% до 98%; у симуляційній моделі серця час досягнення катетером цільової точки скоротився на 35%; Тест на точність відхилення показав, що відхилення між заданим кутом і фактичним кутом становило лише 0.2 - 0.5 градусів, а точність повторюваності досягла 0,1 градуса. Під час випробування на втому за умови вигину ±90 градусів і частоти 3 Гц термін служби нового дизайну склав 750 000 циклів, що в 2,5 рази більше, ніж у традиційного дизайну. Багатоцентрове клінічне дослідження показало, що при черезшкірній нефролітотомії швидкість входження ниркової чашечки зросла з 76% до 92%; при лазерній енуклеації простати ефективність резекції тканин зросла на 30%; при операції абляції фібриляції передсердь стійкість адгезії катетера до тканини зросла на 40%. Опитування досвіду роботи лікарів показало, що 93% хірургів вважають, що нова конструкція підвищує точність і передбачуваність контролю.

Стратегія досліджень і розвитку та філософія

Ми підтримуємо інноваційну концепцію «структура служить функції, дизайн походить від клінічної практики», і створили CDIO (Клінічний запит - Дизайн - Впровадження - Експлуатація) замкнуту-систему досліджень і розробок. На етапі клінічного попиту за допомогою хірургічного відеоаналізу та інтерв’ю з лікарем було виділено 128 ключових точок попиту; на етапі проектування було прийнято оптимізацію топології та генеративний дизайн для пошуку оптимальної структури за функціональних обмежень; на етапі впровадження швидкі ітерації прототипування проводилися за допомогою адитивного виробництва, причому кожен цикл проектування скорочувався до 2 тижнів; на етапі експлуатації була створена база даних клінічного відгуку для постійної оптимізації дизайну. Ми встановили партнерські відносини з 23 провідними медичними центрами в усьому світі, збираючи понад 500 хірургічних даних щороку для стимулювання ітерацій продуктів. Водночас ми розробили віртуальну тестову платформу на основі скінченних елементів, яка може прогнозувати продуктивність продукту до виробництва, скорочуючи фізичне тестування на 70%.

Перспективи на майбутнє

Структурний дизайн розвиватиметься в напрямку інтелекту, адаптивності та персоналізації. Ми розробляємо шарнірні труби зі змінною жорсткістю, які можуть регулювати-жорсткість у реальному часі під час роботи за допомогою електроактивних матеріалів або сплавів з пам’яттю форми; розробка «багатоплощинних» шарнірних трубок, які можуть незалежно відхилятися у двох ортогональних площинах за допомогою комбінацій протягування дроту; дослідження «біологічних перистальтичних» структур для імітації кишкових перистальтичних хвиль для само-руху. У 2028 році ми випустимо інтелектуальні шарнірні трубки з «тактильним зворотним зв’язком», які можуть відчувати силу контакту з тканиною через волоконно-оптичні гратчасті датчики та передавати інформацію назад на ручку керування. Дивлячись у майбутнє, на основі 4D-друку стануть можливими структури «ростового-типу». Інструменти можуть адаптивно змінювати свою форму в тілі відповідно до анатомічного середовища, досягаючи справжньої «інтелектуальної адаптації», вносячи революційні зміни в операції на природних порожнинах.