设计安全的可穿戴电子设备
消费及医学类可穿戴技术的热度正逐年上升。这类设备旨在实现持续使用，如果设计不合理，设备产生的热量就会导致故障并可能烧坏设备。为避免对设备使用者造成伤害，在设计产品时必须将传热的影响考虑在内。COMSOL Multiphysics 的仿真功能使它成为了可能。可穿戴技术：使用及注意事项上个月的国际消费电子展 (CES) 展示了本年度即将推出的各类技术创新。可穿戴是本次大会的焦点之一，包括从用于跟踪健身状况的手环到智能手表等产品的最新进展。在各项新发明展示中，包括一种可以监控日照量的皮肤贴片，能防止紫外线伤害；一种能够向紧急联系人发出警报的服装配饰；还有一种可以跟踪婴儿生命体征的婴儿袜，将有助于防止婴儿瘁死综合症 (SIDS)。 健身追踪器是一种较常见的可穿戴技术应用，设计目的在于监控您全天的体育锻炼情况。随着可穿戴技术的持续发展，有一系列问题急需解决。例如，这些设备将持续收集并储存我们的个人数据，因此应该极其安全。黑客们一直在尝试窃取此类数据，他们还试图控制负责健康监控及药物分配的可穿戴医疗设备，这将造成严重后果。另一个需要考虑的问题是设备的安全性。如果这些我们本应长期佩戴的设备发生过热，就可能造成烧伤。通过研究设备内的传热及其对人体皮肤的影响，我们可以优化可穿戴技术，实现更安全的使用。Thoratec 公司的研究团队使用 COMSOL Multiphysics 和传热模拟研究了长时间佩戴后电子设备中的传热。现在让我们仔细分析一下……可安全穿戴的电子设备如果可穿戴电子设备与皮肤的直接接触面变得比其他面更热，那它就会开始向皮肤传热，直到温度降到与另一个面相同为止。经过一段时间后，皮肤可能会因温度过高而受伤。早在 20 世纪 30 到 40 年代，相关研究就已经确定了皮肤会在温度达到大约 44°C 时受伤。（您可以在该研究论文底部的参考文献部分了解更多信息。）如要避免皮肤伤害，电子设备就必须满足国际电工委员会 (IEC) 指定的标准。该标准列出了设备持续使用时不应超过的最高安全温度。IEC 规定的损伤阈值是 43°C，与上文提到的 44°C 的皮肤受损温度一致。标准还定义了皮肤与设备在 10 分钟内的稳态接触情况。对市面上的大部分可穿戴设备而言，这是维持其正常运行所必需的时长。为了设计一款可以满足该标准的设备，Thoratec 公司的研究人员使用仿真预测了皮肤在接触设备时的温度。他们还分析了设备的热量收支，即设备温度在达到会伤害人体皮肤的损伤阙值前会产生多少热量。研究可穿戴技术设计中的传热仿真分析的主要目的是模拟皮肤、其他各类皮下组织、设备内及周围区域的传热。团队使用 Pennes 方程描述了人体内的传热。这是热传导的正则方程，但加入了一个源项，将血液流动考虑在内。注意血液本身并非热源，但当它超过或低于体温时，将分别起到热源或散热器的作用。在下方的模型中可以看到，人体分为四层：皮肤、脂肪、肌肉与内脏。模型还包括一个 141 mm * 83 mm * 25 mm 的电子设备，设备内包括电路板、线材、电池、外壳及滞留空气。由于存在导电零件，使用热传导方程模拟了该设备。基本模型几何，包括电子设备、部分人体以及衣物层。图片由 J. F. Hansen 提供，取自他在 COMSOL 用户年会格勒诺布尔站 2015 提交的研究论文。
研究人员为皮肤、设备及衣物设定了边界条件。设备内表面与皮肤相接触，外表面与衣物相接触，中间还包括滞留空气。衣物的款式（如宽松或修身款）将影响结果。例如，与宽松的汗衫相比，修身的氨纶衬衫会将器件更紧地包裹在手腕周围，产生的温度也将不同。这里，研究人员模拟了一个紧密包围在设备外层的 3 mm 厚的织物；并在模拟其中的滞留空气时加入了热传导。使用 COMSOL Multiphysics 软件中的固体传热基本物理场接口模拟了该三维模型。对于血液热源项，研究人员直接在物理场接口的源项中输入了 Pennes 方程。在您自己的仿真中，对于所有包含项的传热系数，您可以使用可用材料属性中的内置传热系数，或输入您自己的项进行更多控制，这也是这些研究人员的选择。此外，传热模块还包括生物组织传热接口，您可以借此对生物组织中的传热进行更高级的模拟。它支持对过热及低温执行损伤分析；还包括用于分析血液灌注、组织热效应、代谢热源等的预定义接口。为了计算温度阵列，研究人员选择使用用户定义传热系数而非 COMSOL 软件中的系数。为此，他们使用了一组无量纲数，包括 Nusselt、Rayleigh、Grashof 和 Prandtl。团队从研究结果中发现，休息状态人体必需的核心体温是 36.7 °C，皮肤温度是 31.7 °C，环境温度为 26 °C。在保证电子设备安全的情况下，它最高能发出 1.75 W 的热，以避免设备温度超过 43 °C 的损伤阙值。该条件下人体皮肤的温度应为 39.4 °C。研究人员还发现如果设备发出了 2.75 W 的热，皮肤温度只会达到 42.2 °C。但部分设备零件的温度将超过 49°C，这是我们所不希望的，如果此时接触皮肤将可能造成危险。仿真结果为设备、皮肤、衣物及周围区域的温度曲线。图片由 J. F. Hansen 提供，取自他在 COMSOL 用户年会格勒诺布尔站 2015 提交的研究论文。
研究人员借助仿真找出了可穿戴电气设备中容许的热量收支情况。他们根据仿真结果执行了进一步优化，希望提出更安全、可持续穿戴的设计（结果见 COMSOL 用户年会格勒诺布尔站 2015的研究论文）。正如他们的研究所显示的，在未来的许多年中，如果能在设计可穿戴设备时持续考虑传热的影响，将能帮助培养可穿戴市场的创新并促进增长。立刻开始学习传热模拟
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来源：Brianne Costa COMSOL
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