Annuncio dei risultati

Basata sulla meccanica computazionale, l’ottimizzazione topologica definisce l’equilibrio ottimale tra resistenza alla flessione ed elevata capacità di iniezione.

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Abbiamo utilizzato-meccanica computazionale all'avanguardia e tecnologie di ottimizzazione della topologia per definire con successo la "frontiera Pareto ottimale" per le prestazioni di strutture di tubi rigidi con fessure. Sulla base di ciò, abbiamo sviluppato la piattaforma di progettazione intelligente "OptiSlot" e i suoi prodotti correlati. Questa piattaforma può generare automaticamente modelli di scanalature ottimali unici in base a vincoli target specifici come resistenza assiale, coefficiente di resistenza alla flessione, rigidità torsionale e peso. Di conseguenza, i tubi rigidi con fessure prodotti da questa piattaforma hanno prestazioni meccaniche complete superiori di oltre il 40% rispetto a quelle dei tradizionali progetti empirici, raggiungendo un equilibrio preciso senza precedenti tra resistenza alla flessione e forza di iniezione assiale.

Sfide di fondo di ricerca e sviluppo

Nella progettazione di strutture di tubi rigidi, gli ingegneri si affidano da tempo a formule empiriche e metodi per tentativi-ed{{1}error per definire i parametri per l'esecuzione delle scanalature (come lunghezza delle scanalature, larghezza delle scanalature, spaziatura e angolo). Questo approccio non solo è inefficiente, ma è anche difficile da valutare quantitativamente le differenze di prestazioni tra diversi progetti e non è in grado di esplorare potenziali progetti che si avvicinano al limite teorico. Di conseguenza, i progetti tendono ad essere eccessivamente conservativi, sacrificando troppo spazio interno per la sicurezza o introducendo rischi di flessione quando si persegue la forza di iniezione massima. Dal punto di vista clinico, esistono variazioni significative tra batch-a-lotto e punti ciechi di progettazione nella "sensazione" e nell'affidabilità dei dispositivi. La mancanza di una metodologia di progettazione sistematica e basata sulla fisica- è la ragione fondamentale della stagnazione delle prestazioni del prodotto e del grave problema di omogeneità.

Innovazione tecnologica fondamentale

• Piattaforma di integrazione di ottimizzazione parametrica a elementi finiti e multi-obiettivo:Abbiamo sviluppato un ambiente di progettazione integrato con diritti di proprietà intellettuale indipendenti, che abbina perfettamente la modellazione geometrica parametrica, l'analisi degli elementi finiti non lineare (FEA) e l'algoritmo genetico multi-obiettivo (MOGA). Gli utenti devono solo inserire il diametro esterno, lo spessore della parete, le proprietà del materiale e l'intervallo di prestazioni previste (come la forza di rottura di compressione minima, l'angolo di piegatura massimo consentito, la rigidità torsionale minima) e la piattaforma può ottimizzare automaticamente tra migliaia di possibili progetti. L'algoritmo prende come obiettivi di ottimizzazione la rigidità assiale, la resistenza alla flessione laterale, l'efficienza della trasmissione torsionale, il peso, ecc. e infine restituisce una serie di soluzioni non-dominate (ovvero, schemi di progettazione che non possono essere migliorati in un aspetto senza danneggiarne un altro) sul "fronte di Pareto", che gli ingegneri possono selezionare in base alla priorità.
• Database di slot interlacciati bionici e non-uniformi:Rompendo la mentalità tradizionale e uniforme delle slot, abbiamo costruito un database contenente dozzine di tipi di slot avanzati. Questi tipi di slot sono ispirati a strutture naturali anti-flessione, come giunti di bambù, strati corticali del sistema di tubi Havercus delle ossa, ecc. Inclusi ma non limitati a: slot di spaziatura che cambiano gradualmente, slot di diffusione dello stress a forma di arco-, slot di ramificazione frattale, slot torsionali asimmetrici, ecc. La piattaforma può chiamare e combinare in modo intelligente queste unità di tipi di slot di base per generare slot compositi altamente complessi, non{5}}distribuiti uniformemente ma meccanicamente efficienti modelli.
• Accoppiamento dei vincoli di produzione e verifica della produttività:Durante il ciclo di ottimizzazione, abbiamo integrato in modo innovativo il "Modulo vincoli di produzione". Questo modulo valuta la producibilità di ciascun progetto generato in tempo reale, inclusa la fattibilità del taglio laser (come il raggio minimo dell'angolo interno, evitando l'accumulo di calore), la raggiungibilità degli strumenti di lucidatura e se genererà bave difficili da-rimuovere-. L'algoritmo di ottimizzazione eviterà automaticamente progetti poco pratici, garantendo che ogni soluzione ottimale sia un "ottimo producibile", passando direttamente dallo spazio digitale alla linea di produzione ed eliminando le "chiacchiere sulla carta".

Meccanismo d'azione

La filosofia di progettazione della piattaforma OptiSlot è "guidare lo stress, non opporsi allo stress". I modelli di scanalatura generati pianificano essenzialmente il percorso di trasmissione più efficiente e regolare per le forze interne (flusso di sollecitazione) del tubo sotto carichi complessi. Attraverso la simulazione della meccanica computazionale, la piattaforma identifica accuratamente la "catena di forze" che sostiene il carico principale sotto pressione assiale, nonché le "aree deboli" soggette a deformazioni sotto forze laterali. Gli slot ottimizzati manterranno sufficienti materiali "ponte" continui lungo il percorso della "catena di forze", come una solida strada principale; mentre nelle "aree deboli" o zone non-portanti primarie-, vengono introdotte strategicamente forme e direzioni specifiche delle fessure. Queste fessure sono come "giunti flessibili" o "assorbitori di energia" attentamente progettati, consentendo al materiale di subire una piccola deformazione elastica controllabile, dissipando così l'energia dell'impatto e impedendo che l'instabilità locale si diffonda fino a un collasso completo. Questo progetto di gestione attiva basato sui campi di stress- consente di ottenere l'utilizzo più economico ed efficace della distribuzione del materiale.

Verifica dell'efficacia

Confrontando il design tradizionale con fessura uniforme con il design ottimizzato OptiSlot, le differenze sono significative: pur soddisfacendo la stessa resistenza alla rottura per compressione (come 1000 N), il peso del corpo del tubo nel design ottimizzato è in media ridotto del 18%, oppure il diametro interno può essere ampliato del 15%. Nel test di flessione su tre-punti, quando si raggiunge la stessa deflessione, il carico sostenuto dal corpo del tubo dal design ottimizzato è superiore del 25%-50% rispetto a quello del design tradizionale. Ancora più importante, la modalità di cedimento del progetto ottimizzato è più "delicata", manifestandosi come cedimento progressivo e in più fasi, piuttosto che come frattura improvvisa, fornendo preziosi feedback e tempi di reazione per l'operatore. In un'applicazione per strumenti per impianti di fusione spinale, il manicotto di guida progettato con OptiSlot presentava un errore dell'angolo di torsione pari al 60% di riduzione sotto la coppia massima dell'impianto simulato rispetto a prima, e il feedback del chirurgo è stato che aveva una sensazione "più morbida", era più prevedibile e la sicurezza nell'utilizzo dello strumento era aumentata in modo significativo.

Strategia e filosofia di ricerca e sviluppo

La nostra strategia principale è "la progettazione guida le prestazioni, la simulazione sostituisce tentativi ed errori". Consideriamo le tecnologie avanzate di simulazione e ottimizzazione computazionale come il "super microscopio" e il "motore acceleratore" per lo sviluppo di nuovi dispositivi medici nella nuova era. Abbiamo investito molto nella creazione di cluster di calcolo ad alte- prestazioni e abbiamo creato un team di professionisti che spazia dalla meccanica solida, alla matematica computazionale e all'ingegneria del software. La nostra filosofia è: il vero design innovativo spesso si trova nel vasto spazio oltre l'intuizione e l'esperienza umana, e gli algoritmi di ottimizzazione intelligente basati sulla fisica-sono la guida migliore per esplorare questo territorio sconosciuto. Ci impegniamo a liberare gli ingegneri dal lavoro ripetitivo e basato sull'esperienza, consentendo loro di concentrarsi sulla definizione di requisiti prestazionali e problemi clinici più all'avanguardia, lasciando il compito di trovare la soluzione ottimale agli instancabili algoritmi intelligenti.

Prospettive future

In futuro, l’ottimizzazione strutturale passerà da statica a dinamica e da componenti isolati all’integrazione del sistema. Stiamo sviluppando la tecnologia di "ottimizzazione della topologia in tempo reale-", che può regolare dinamicamente la distribuzione della rigidità locale dello strumento in base ai dati di navigazione in tempo reale-durante l'operazione (come la forza di contatto tra lo strumento e l'osso e l'impedenza del tessuto). Allo stesso tempo, espanderemo l'ambito di ottimizzazione da un singolo corpo del tubo all'intero sistema di strumenti, comprese le interfacce di connessione tra il corpo del tubo e l'impugnatura prossimale e la testa di lavoro distale, per ottenere l'ottimizzazione delle prestazioni meccaniche a livello di sistema. L'ulteriore visione è quella di creare un "mercato della progettazione cloud", in cui i medici o le aziende produttrici di strumenti possano presentare i loro pacchetti di requisiti prestazionali. La nostra piattaforma cloud restituirà numerosi schemi di progettazione ottimizzati virtuali-verificati e i relativi report di previsione delle prestazioni entro poche ore, accelerando significativamente il processo dall'ideazione al prototipo di strumenti innovativi e promuovendo l'arrivo dell'era degli strumenti chirurgici personalizzati.