Annonce des résultats

Basée sur la mécanique computationnelle, l'optimisation topologique définit l'équilibre optimal entre résistance à la flexion et capacité d'injection élevée.

Annonce des résultats

Nous avons utilisé-des technologies informatiques et d'optimisation de la topologie de pointe pour définir avec succès la "frontière optimale de Pareto" pour les performances des structures de tubes rigides avec fentes. Sur cette base, nous avons développé la plateforme de conception intelligente « OptiSlot » et ses produits associés. Cette plate-forme peut générer automatiquement des modèles de fentes optimaux uniques en fonction de contraintes cibles spécifiques telles que la résistance axiale, le coefficient de résistance à la flexion, la rigidité en torsion et le poids. En conséquence, les tubes rigides avec fentes produits par cette plate-forme ont des performances mécaniques globales supérieures de plus de 40 % à celles des conceptions empiriques traditionnelles, atteignant un équilibre précis sans précédent entre la résistance à la flexion et la force d'injection axiale.

Défis de base en matière de recherche et de développement

Lors de la conception de structures de tubes rigides, les ingénieurs s'appuient depuis longtemps sur des formules empiriques et des méthodes d'essai-et-d'erreur pour définir les paramètres de rainurage (tels que la longueur, la largeur, l'espacement et l'angle de la fente). Cette approche est non seulement inefficace, mais également difficile à évaluer quantitativement les différences de performances entre différentes conceptions, et elle est incapable d'explorer des conceptions potentielles s'approchant de la limite théorique. En conséquence, les conceptions ont tendance à être trop conservatrices, soit en sacrifiant trop d'espace interne pour la sécurité, soit en introduisant des risques de flexion lors de la recherche de la force d'injection ultime. Cliniquement, il existe d'importantes variations-d'un lot à l'autre-et des angles morts de conception dans la "sensation" et la fiabilité des appareils. L'absence d'une méthodologie de conception systématique et basée sur le physique est la raison fondamentale de la stagnation des performances du produit et du grave problème d'homogénéité.

Innovation technologique de base

• Plate-forme d'intégration d'optimisation par éléments finis paramétriques et multi-objectifs :Nous avons développé un environnement de conception intégré avec des droits de propriété intellectuelle indépendants, couplant de manière transparente la modélisation géométrique paramétrique, l'analyse par éléments finis non linéaire (FEA) et l'algorithme génétique multi-objectif (MOGA). Les utilisateurs doivent uniquement saisir le diamètre extérieur, l'épaisseur de la paroi, les propriétés du matériau et la plage cible de performances attendue (telle que la force de rupture en compression minimale, l'angle de flexion maximal autorisé, la rigidité de torsion minimale), et la plate-forme peut automatiquement optimiser parmi des milliers de conceptions possibles. L'algorithme prend la rigidité axiale, la résistance à la flexion latérale, l'efficacité de la transmission en torsion, le poids, etc. comme objectifs d'optimisation, et génère finalement une série de solutions non-dominées (c'est-à-dire des schémas de conception qui ne peuvent pas être améliorés dans un aspect sans nuire à un autre) sur le « front de Pareto », que les ingénieurs peuvent sélectionner en fonction de la priorité.
• Base de données d'emplacements entrelacés bioniques et non-uniformes :Rompant avec la mentalité traditionnelle et uniforme des machines à sous droites, nous avons construit une base de données contenant des dizaines de types de machines à sous avancés. Ces types de fentes sont inspirés de structures naturelles anti--flexion, telles que les articulations de bambou, les couches corticales du système de tubes Havercus des os, etc. Y compris, mais sans s'y limiter : des fentes d'espacement à changement progressif, des fentes de diffusion de contrainte en forme d'arc-, des fentes de ramification fractale, des fentes de torsion asymétriques, etc.
• Couplage des contraintes de fabrication et vérification de la productivité :Au cours du cycle d'optimisation, nous avons intégré de manière innovante le « module de contraintes de fabrication ». Ce module évalue la fabricabilité de chaque conception générée en temps réel, y compris la faisabilité de la découpe laser (comme le rayon d'angle intérieur minimum, évitant l'accumulation de chaleur), l'accessibilité des outils de polissage et si cela générera des difficultés-à-éliminer les bavures. L'algorithme d'optimisation évitera automatiquement les conceptions peu pratiques, garantissant que chaque solution optimale est un « optimal pouvant être fabriqué », passant directement de l'espace numérique à la chaîne de production, et éliminant les « discussions sur papier ».

Mécanisme d'action

La philosophie de conception de la plateforme OptiSlot est de « guider la contrainte, pas s'y opposer ». Les modèles de fentes générés planifient essentiellement le chemin de transmission le plus efficace et le plus fluide pour les forces internes (flux de contrainte) du tube sous des charges complexes. Grâce à la simulation de mécanique informatique, la plateforme identifie avec précision la « chaîne de force » qui supporte la charge principale sous pression axiale, ainsi que les « zones faibles » sujettes au flambage sous les forces latérales. Les fentes optimisées retiendront suffisamment de matériaux de « pont » continus le long du chemin de la « chaîne de force », comme une route principale solide ; tandis que dans les « zones faibles » ou les zones porteuses non-primaires-, des formes et des directions spécifiques des fentes sont introduites de manière stratégique. Ces fentes sont comme des « joints flexibles » ou « absorbeurs d'énergie » soigneusement conçus, permettant au matériau de subir une petite déformation élastique contrôlable, dissipant ainsi l'énergie d'impact et empêchant l'instabilité locale de se propager jusqu'à un effondrement complet. Cette conception de gestion active basée sur les champs de contraintes- permet d'obtenir l'utilisation la plus économique et la plus efficace de la distribution des matériaux.

Vérification de l'efficacité

En comparant la conception traditionnelle à fente uniforme avec la conception optimisée OptiSlot, les différences sont significatives : tout en répondant à la même résistance à la rupture en compression (telle que 1 000 N), le poids du corps du tube dans la conception optimisée est en moyenne réduit de 18 %, ou le diamètre intérieur peut être agrandi de 15 %. Dans le test de flexion en trois-points, lorsque la même déflexion est atteinte, la charge supportée par le corps du tube de conception optimisée est 25 %-50 % supérieure à celle de la conception traditionnelle. Plus important encore, le mode de défaillance de la conception optimisée est plus « doux », se manifestant par une élasticité progressive et en plusieurs étapes, plutôt que par une rupture soudaine, offrant ainsi un retour d'information et un temps de réaction précieux à l'opérateur. Dans une application pour des outils d'implant de fusion vertébrale, le manchon de guidage conçu avec OptiSlot présentait une erreur d'angle de torsion de 60 % de réduction sous le couple d'implant maximum simulé par rapport à avant, et les commentaires du chirurgien étaient qu'il avait une sensation « plus douce », qu'il était plus prévisible et que la confiance dans l'utilisation de l'instrument augmentait considérablement.

Stratégie et philosophie de recherche et développement

Notre stratégie principale est « la conception stimule la performance, la simulation remplace les essais et les erreurs ». Nous considérons les technologies avancées de simulation informatique et d'optimisation comme le « super microscope » et le « moteur accélérateur » pour le développement de nouveaux dispositifs médicaux dans la nouvelle ère. Nous avons investi massivement dans la création de clusters de calcul-hautes performances et avons formé une équipe professionnelle couvrant la mécanique des solides, les mathématiques computationnelles et l'ingénierie logicielle. Notre philosophie est la suivante : la véritable conception innovante se situe souvent dans un vaste espace au-delà de l'intuition et de l'expérience humaines, et les algorithmes d'optimisation intelligents basés sur la physique-sont le meilleur guide pour explorer ce territoire inconnu. Nous nous engageons à libérer les ingénieurs du travail répétitif-basé sur l'expérience, en leur permettant de se concentrer sur la définition d'exigences de performances et de problèmes cliniques plus avancés-, tout en laissant la tâche de trouver la solution optimale aux algorithmes intelligents infatigables.

Perspectives d'avenir

À l’avenir, l’optimisation structurelle passera du statique au dynamique, et des composants isolés à l’intégration du système. Nous développons la technologie « d'optimisation de topologie en temps réel-, qui peut ajuster dynamiquement la distribution locale de rigidité de l'instrument en fonction des données de navigation-en temps réel pendant l'opération (telles que la force de contact entre l'instrument et l'os et l'impédance du tissu). Dans le même temps, nous élargirons la portée de l'optimisation d'un seul corps de tube à l'ensemble du système d'instruments, y compris les interfaces de connexion entre le corps du tube et la poignée proximale, ainsi que la tête de travail distale, pour parvenir à l'optimisation des performances mécaniques au niveau du système. L'autre vision est d'établir un « marché de conception cloud », où les cliniciens ou les fabricants d'instruments peuvent soumettre leurs ensembles d'exigences de performance. Notre plate-forme cloud renverra plusieurs schémas de conception optimisés virtuels-vérifiés et rapports de prévision des performances associés en quelques heures, accélérant considérablement le processus du concept au prototype d'instruments innovants et favorisant l'arrivée de l'ère des instruments chirurgicaux personnalisés.