論文の概要: CROPS: Cosserat-Rod-Based Co-Design of Soft Slender Programmable Material Systems for Biomedical Applications
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.24209v1
- Date: Fri, 16 Oct 2026 20:29:05 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-10-26 10:09:12.192646
- Title: CROPS: Cosserat-Rod-Based Co-Design of Soft Slender Programmable Material Systems for Biomedical Applications
- Title（参考訳）: CROPS: Cosserat-Rod-based Co-Design of Soft Slender Programmable Materials Systems for Biomedical Applications
- Abstract要約: 本稿では,プログラム可能なスレンダー構造の自律設計のためのCosserat-rodに基づく設計最適化フレームワークを提案する。
提案するフレームワークは, 大規模変形と多体運動をサポートするソフトスレンダー材料システムの自律的設計プラットフォームを提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.784708430007771
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Slender structures made of stimuli-responsive materials represent an emerging class of programmable material systems, with applications in soft robotics, minimally invasive surgery, wearable electronics, and deployable structures. In biomedical applications, the on-demand design of slender structures, encompassing both their material layout and actuation, is essential to harnessing their large deformation and multiphysics actuation to meet patient-specific design requirements. However, owing to geometric and material nonlinearities, their structure-actuation-response relationship is highly nonintuitive and computationally demanding. This often makes trial-and-error and conventional design approaches challenging for addressing patient-specific needs. To this end, we present a Cosserat-rod-based design optimization framework for the autonomous design of programmable slender structures. Leveraging the Cosserat rod representation, the end-to-end differentiable framework is demonstrated on two case studies: (i) design of swellable stents that morph to the shape of carotid vessels; (ii) co-design of the remnant magnetization and the applied field of magnetically-active catheters to reduce the force exerted on the patient-specific vessel wall during insertion. Both self-contact and external contact with surrounding structures are accounted for. We consider two actuation mechanism, namely the swelling of gel-elastomer composites and the magnetic actuation of hard-magnetic composites. The proposed framework presents an autonomous design platform of soft slender material systems that support large deformations and multiphysics actuation toward personalized biomedical design.
- Abstract（参考訳）: 刺激応答性材料からなる細い構造は、ソフトロボティクス、最小侵襲手術、ウェアラブルエレクトロニクス、デプロイ可能な構造など、プログラム可能な新しい種類の材料システムを表している。
生体医学的応用において、スレンダー構造の材料配置と運動の両方を含むオンデマンド設計は、患者固有の設計要件を満たすために、その大きな変形と多体運動を利用するのに不可欠である。
しかし、幾何学的および物質的非線形性のため、それらの構造的・運動的・応答関係は非常に非直感的で計算的に要求される。
これはしばしば、患者固有のニーズに対処するために試行錯誤や従来の設計アプローチを難しくする。
この目的のために,プログラム可能なスレンダー構造の自律設計のためのCosserat-rodに基づく設計最適化フレームワークを提案する。
Cosseratのロッド表現を活用することで、エンド・ツー・エンドの微分可能なフレームワークが2つのケーススタディで実証される。
一 頸動脈の形状に変化した膨潤性ステントの設計
二 挿入時に患者固有の血管壁に作用する力を減少させるため、残留磁化と磁気活性カテーテルの応用磁場の共設計。
周囲の構造物との自己接触と外部接触の両方が考慮されている。
ゲル-エラストマー複合体の膨潤と強磁性複合材料の磁気アクチュエータの2つのアクチュエータ機構を考察した。
提案フレームワークは, バイオメディカルデザインに向けた大規模変形と多物理運動をサポートするソフトスレンダー材料システムの自律的設計プラットフォームを提供する。
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