Offentliggørelse af resultaterne

Baseret på beregningsmekanik definerer topologisk optimering den optimale balance mellem modstand mod bøjning og høj injektionskapacitet.

Offentliggørelse af resultaterne

Vi har brugt banebrydende-beregningsmekanik og topologioptimeringsteknologier til at definere den "optimale Pareto-grænse" for ydeevnen af ​​stive rørstrukturer med slidser. På baggrund af dette har vi udviklet den intelligente designplatform "OptiSlot" og dens relaterede produkter. Denne platform kan automatisk generere unikke optimale spaltemønstre i henhold til specifikke målbegrænsninger såsom aksial styrke, bøjningsmodstandskoefficient, vridningsstivhed og vægt. Som et resultat heraf har de stive rør med slidser produceret af denne platform en omfattende mekanisk ydeevne, der er over 40 % højere end traditionelle empiriske designs, hvilket opnår en hidtil uset præcis balance mellem bøjningsmodstand og aksial indsprøjtningskraft.

Udfordringer i baggrunden for forskning og udvikling

I udformningen af ​​stive rørstrukturer har ingeniører længe været afhængige af empiriske formler og afprøvning-og-metoder til at definere parametrene for slidsing (såsom slidslængde, slidsbredde, afstand og vinkel). Denne tilgang er ikke kun ineffektiv, men også vanskelig at kvantitativt vurdere præstationsforskellene mellem forskellige designs, og den er ude af stand til at udforske potentielle designs, der nærmer sig den teoretiske grænse. Som et resultat har designs tendens til at være alt for konservative, enten ofre for meget intern plads for sikkerhed eller introducere bøjningsrisici, når man forfølger den ultimative indsprøjtningskraft. Klinisk er der betydelige batch-til-batchvariationer og design blinde vinkler i enhedernes "fornemmelse" og pålidelighed. Manglen på en fysisk-baseret, systematisk designmetodologi er den grundlæggende årsag til den stagnerende produktydelse og det alvorlige homogenitetsproblem.

Kerneteknologisk innovation

• Parametrisk endeligt element og multi-objektiv optimeringsintegrationsplatform:Vi har udviklet et integreret designmiljø med uafhængige intellektuelle ejendomsrettigheder, der problemfrit kobler parametrisk geometrisk modellering, ikke-lineær finite element-analyse (FEA) og multi-objektiv genetisk algoritme (MOGA). Brugere behøver kun at indtaste den ydre diameter, vægtykkelse, materialeegenskaber og det forventede ydeevnemålområde (såsom minimum trykfejlkraft, maksimal tilladt bøjningsvinkel, minimum vridningsstivhed), og platformen kan automatisk optimere blandt tusindvis af mulige designs. Algoritmen tager aksial stivhed, lateral bøjningsmodstand, torsionstransmissionseffektivitet, vægt osv. som optimeringsmål og udsender endelig en række ikke-dominerede løsninger (dvs. designskemaer, der ikke kan forbedres i ét aspekt uden at skade et andet) på "Pareto-fronten", som ingeniører kan vælge baseret på prioritet.
• Bionic og Non{0}}uniform Interlaced Slot Database:For at bryde den traditionelle ensartede straight-slot-tankegang har vi opbygget en database, der indeholder snesevis af avancerede slottyper. Disse spaltetyper er inspireret af naturlige anti-bøjningsstrukturer, såsom bambussamlinger, kortikale lag af knoglers Havercus-rørsystem osv. Inklusive, men ikke begrænset til: gradvist skiftende mellemrumsslidser, bue-formede spændingsdiffusionsspalter, fraktale forgreningsspalter, asymmetriske enheder, der kan generere meget komplekse torsionsspalter, osv. ikke-ensartet fordelte, men mekanisk effektive sammensatte slotmønstre.
• Kobling af produktionsbegrænsninger og produktivitetsverifikation:Under optimeringscyklussen indlejrede vi innovativt "Manufacturing Constraint Module." Dette modul evaluerer fremstillingsevnen af ​​hvert genereret design i realtid, herunder gennemførligheden af ​​laserskæring (såsom minimal indre vinkelradius, undgåelse af varmeakkumulering), tilgængeligheden af ​​poleringsværktøjer, og om det vil generere vanskelige-at-fjerne grater. Optimeringsalgoritmen vil automatisk undgå upraktiske designs, hvilket sikrer, at enhver optimal løsning er et "fremstilleligt optimum", der flytter sig direkte fra det digitale rum til produktionslinjen og eliminerer "papirsnak".

Handlingsmekanisme

Designfilosofien for OptiSlot-platformen er "guide stress, ikke modsæt stress." De genererede spaltemønstre planlægger i det væsentlige den mest effektive og glatte transmissionsvej for rørets indre kræfter (spændingsflow) under komplekse belastninger. Gennem beregningsmekanik-simulering identificerer platformen nøjagtigt "kraftkæden", der bærer hovedbelastningen under aksialt tryk, såvel som de "svage områder", der er tilbøjelige til at bukke under sidekræfter. De optimerede spalter vil fastholde tilstrækkelige kontinuerlige "brodannende" materialer langs "kraftkæde"-stien, som en solid hovedvej; mens i de "svage områder" eller ikke-primær last-bærende zoner introduceres specifikke former og retninger af spalter strategisk. Disse slidser er som omhyggeligt designede "fleksible samlinger" eller "energiabsorbere", der tillader materialet at gennemgå en lille, kontrollerbar elastisk deformation, hvorved slagenergien spredes og lokal ustabilitet forhindres i at sprede sig til et fuldstændigt sammenbrud. Dette stressfeltbaserede-aktive ledelsesdesign opnår den mest økonomiske og effektive udnyttelse af materialefordeling.

Verifikation af effektivitet

Ved at sammenligne det traditionelle ensartede slidsdesign med det optimerede OptiSlot design er forskellene betydelige: Mens den opfylder den samme trykfejlmodstand (såsom 1000N), er vægten af ​​rørlegemet i det optimerede design i gennemsnit reduceret med 18 %, eller den indre diameter kan udvides med 15 %. I tre--punktsbøjningstesten, når den samme afbøjning nås, er belastningen på det optimerede designrørlegeme 25 %-50 % højere end det traditionelle design. Endnu vigtigere er fejltilstanden i det optimerede design mere "skånsom", manifesteret som progressiv og flertrins eftergivende snarere end pludselig brud, hvilket giver værdifuld feedback og reaktionstid for operatøren. I en applikation til spinalfusionsimplantatværktøjer havde styremuffen designet med OptiSlot en torsionsvinkelfejl på 60 % reduktion under det simulerede maksimale implantatmoment sammenlignet med tidligere, og kirurgens feedback var, at den havde en "blødere" fornemmelse, var mere forudsigelig, og tilliden til at betjene instrumentet steg markant.

Forsknings- og udviklingsstrategi og filosofi

Vores kernestrategi er "design driver ydeevne, simulering erstatter forsøg og fejl." Vi betragter avancerede computersimulerings- og optimeringsteknologier som "supermikroskopet" og "acceleratormotoren" til udvikling af nyt medicinsk udstyr i den nye æra. Vi har investeret massivt i at bygge-højtydende computerklynger og har opdyrket et professionelt team, der spænder over solid mekanik, beregningsmatematik og softwareteknik. Vores filosofi er: ægte innovativt design ligger ofte i det store rum uden for menneskelig intuition og erfaring, og de fysikbaserede-intelligente optimeringsalgoritmer er den bedste guide til at udforske dette ukendte territorium. Vi er forpligtet til at befri ingeniører fra gentagne, erfaringsbaseret-arbejde, hvilket gør det muligt for dem at fokusere på at definere mere banebrydende ydeevnekrav og kliniske problemer, mens vi overlader opgaven med at finde den optimale løsning til de utrættelige intelligente algoritmer.

Fremtidsudsigt

I fremtiden vil strukturoptimering skifte fra statisk til dynamisk og fra isolerede komponenter til systemintegration. Vi udvikler "realtids-topologioptimering"-teknologien, som dynamisk kan justere den lokale stivhedsfordeling af instrumentet baseret på realtids--navigationsdata under operationen (såsom kontaktkraften mellem instrumentet og knoglen og vævets impedans). Samtidig vil vi udvide optimeringsomfanget fra et enkelt rørlegeme til hele instrumentsystemet, inklusive forbindelsesgrænsefladerne mellem rørlegemet og det proksimale håndtag, og det distale arbejdshoved, for at opnå optimering af den mekaniske ydeevne på systemniveau. Den yderligere vision er at etablere et "skydesignmarked", hvor klinikere eller instrumentfirmaer kan indsende deres præstationskravpakker. Vores cloudplatform vil returnere flere virtuelle-verificerede optimerede designskemaer og relaterede præstationsforudsigelsesrapporter inden for et par timer, hvilket markant accelererer processen fra koncept til prototype af innovative instrumenter og fremmer ankomsten af ​​æraen med personligt tilpassede kirurgiske instrumenter.