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定量生物学 > 组织与器官

arXiv:2510.14984 (q-bio)
[提交于 2025年9月9日 ]

标题: $\textit{Less In More Out}$的力学:建模基于织物的软体机器人心脏

标题: The mechanics of $\textit{Less In More Out}$: modeling fabric-based soft robotic hearts

Authors:Marin Lauber, Mathias Peirlinck
摘要: 基于织物的软体机器人结合了高承载能力、高效性和低重量,并能够轻松弯曲、扭曲、收缩或伸展,使其成为生物医学应用(如软体全人工心脏)的有前途的候选者。 尽管最近的实验已经证明了它们的潜力,但急需预测性数值模型来研究其复杂的力学性能,指导设计优化并提高其可靠性。 我们开发了一种 Less In More Out 装置的计算模型,这是一种由热封编织织物层构成的流体驱动软体全人工心脏。 我们的模型再现了准静态实验中测量到的非线性变形、应变场和压力-容积关系。 具有较少袋状结构的装置能提供更高的搏出体积,但其峰值 von Mises 应力最高可达 50% 更高。 使用应变-寿命方法进行疲劳分析表明,热封接缝和屈曲区域是耐用性限制因素。 我们的框架能够对应力集中、屈曲和疲劳寿命进行详细评估,提供了难以通过实验获得的机制性见解。 它还为人工心脏及其他流体驱动的织物基软体机器人系统的优化提供了基础。
摘要: Fabric-based soft robots combine high load-carrying capacity, efficiency, and low weight with the ability to bend, twist, contract, or extend with ease, making them promising candidates for biomedical applications such as soft total artificial hearts. While recent experiments have demonstrated their potential, predictive numerical models are urgently needed to study their complex mechanics, guide design optimization and improve their reliability. We develop a computational model of the Less In More Out device, a fluidically actuated soft total artificial heart constructed from heat-sealed layers of woven fabric. Our model reproduces the nonlinear deformation, strain fields, and pressure-volume relationships measured in quasi-static experiments. Devices with fewer pouches deliver higher stroke volumes but exhibit up to 50% higher peak von Mises stresses. Fatigue analysis using a strain-life approach identifies heat-sealed seams and buckling regions as durability-limiting features. Our framework enables detailed evaluation of stress concentrations, buckling, and fatigue life, providing mechanistic insights that are difficult to obtain experimentally. It also offers a foundation for the optimization of artificial hearts and other fluid actuated fabric-based soft robotic systems.
主题: 组织与器官 (q-bio.TO) ; 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2510.14984 [q-bio.TO]
  (或者 arXiv:2510.14984v1 [q-bio.TO] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.14984
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Marin Lauber Dr [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 9 月 9 日 12:41:58 UTC (38,987 KB)
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