借助傳熱模擬實(shí)現(xiàn)安全的可穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)

消費(fèi)及醫(yī)學(xué)類可穿戴技術(shù)的熱度正逐年上升。這類設(shè)備旨在實(shí)現(xiàn)持續(xù)使用，如果設(shè)計(jì)不合理，設(shè)備產(chǎn)生的熱量就會(huì)導(dǎo)致故障并可能燒壞設(shè)備。為避免對(duì)設(shè)備使用者造成傷害，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須將傳熱的影響考慮在內(nèi)。COMSOL Multiphysics 的仿真功能使它成為了可能。

可穿戴技術(shù)：使用及注意事項(xiàng)

上個(gè)月的國際消費(fèi)電子展（CES） 展示了本年度即將推出的各類技術(shù)創(chuàng)新?？纱┐魇潜敬未髸?huì)的焦點(diǎn)之一，包括從用于跟蹤健身狀況的手環(huán)到智能手表等產(chǎn)品的最新進(jìn)展。在各項(xiàng)新發(fā)明展示中，包括一種可以監(jiān)控日照量的皮膚貼片，能防止紫外線傷害；一種能夠向緊急聯(lián)系人發(fā)出警報(bào)的服裝配飾；還有一種可以跟蹤嬰兒生命體征的嬰兒襪，將有助于防止嬰兒瘁死綜合癥（SIDS）。

圖1、健身追蹤器是一種較常見的可穿戴技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)目的在于監(jiān)控您全天的體育鍛煉情況。

隨著可穿戴技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，有一系列問題急需解決。例如，這些設(shè)備將持續(xù)收集并儲(chǔ)存我們的個(gè)人數(shù)據(jù)，因此應(yīng)該極其安全。黑客們一直在嘗試竊取此類數(shù)據(jù)，他們還試圖控制負(fù)責(zé)健康監(jiān)控及藥物分配的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，這將造成嚴(yán)重后果。另一個(gè)需要考慮的問題是設(shè)備的安全性。如果這些我們本應(yīng)長期佩戴的設(shè)備發(fā)生過熱，就可能造成燒傷。

通過研究設(shè)備內(nèi)的傳熱及其對(duì)人體皮膚的影響，我們可以優(yōu)化可穿戴技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更安全的使用。Thoratec 公司的研究團(tuán)隊(duì)使用COMSOL Multiphysics 和傳熱模擬研究了長時(shí)間佩戴后電子設(shè)備中的傳熱?，F(xiàn)在讓我們仔細(xì)分析一下……

可安全穿戴的電子設(shè)備

如果可穿戴電子設(shè)備與皮膚的直接接觸面變得比其他面更熱，那它就會(huì)開始向皮膚傳熱，直到溫度降到與另一個(gè)面相同為止。經(jīng)過一段時(shí)間后，皮膚可能會(huì)因溫度過高而受傷。早在20 世紀(jì)30 到40 年代，相關(guān)研究就已經(jīng)確定了皮膚會(huì)在溫度達(dá)到大約44°C 時(shí)受傷。（您可以在該研究論文底部的參考文獻(xiàn)部分了解更多信息。）

如要避免皮膚傷害，電子設(shè)備就必須滿足國際電工委員會(huì) （IEC） 指定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)列出了設(shè)備持續(xù)使用時(shí)不應(yīng)超過的最高安全溫度。IEC 規(guī)定的損傷閾值是43°C，與上文提到的44°C 的皮膚受損溫度一致。標(biāo)準(zhǔn)還定義了皮膚與設(shè)備在10 分鐘內(nèi)的穩(wěn)態(tài)接觸情況。對(duì)市面上的大部分可穿戴設(shè)備而言，這是維持其正常運(yùn)行所必需的時(shí)長。

為了設(shè)計(jì)一款可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，Thoratec 公司的研究人員使用仿真預(yù)測(cè)了皮膚在接觸設(shè)備時(shí)的溫度。他們還分析了設(shè)備的熱量收支，即設(shè)備溫度在達(dá)到會(huì)傷害人體皮膚的損傷闕值前會(huì)產(chǎn)生多少熱量。

研究可穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)中的傳熱

仿真分析的主要目的是模擬皮膚、其他各類皮下組織、設(shè)備內(nèi)及周圍區(qū)域的傳熱。團(tuán)隊(duì)使用Pennes 方程描述了人體內(nèi)的傳熱。這是熱傳導(dǎo)的正則方程，但加入了一個(gè)源項(xiàng)，將血液流動(dòng)考慮在內(nèi)。注意血液本身并非熱源，但當(dāng)它超過或低于體溫時(shí)，將分別起到熱源或散熱器的作用。

在下方的模型中可以看到，人體分為四層：皮膚、脂肪、肌肉與內(nèi)臟。模型還包括一個(gè)141 mm * 83 mm * 25 mm 的電子設(shè)備，設(shè)備內(nèi)包括電路板、線材、電池、外殼及滯留空氣。由于存在導(dǎo)電零件，使用熱傳導(dǎo)方程模擬了該設(shè)備。

圖2、基本模型幾何，包括電子設(shè)備、部分人體以及衣物層。

研究人員為皮膚、設(shè)備及衣物設(shè)定了邊界條件。設(shè)備內(nèi)表面與皮膚相接觸，外表面與衣物相接觸，中間還包括滯留空氣。衣物的款式（如寬松或修身款）將影響結(jié)果。例如，與寬松的汗衫相比，修身的氨綸襯衫會(huì)將器件更緊地包裹在手腕周圍，產(chǎn)生的溫度也將不同。這里，研究人員模擬了一個(gè)緊密包圍在設(shè)備外層的3 mm 厚的織物；并在模擬其中的滯留空氣時(shí)加入了熱傳導(dǎo)。

使用COMSOL Multiphysics 軟件中的固體傳熱基本物理場接口模擬了該三維模型。對(duì)于血液熱源項(xiàng)，研究人員直接在物理場接口的源項(xiàng)中輸入了Pennes 方程。在您自己的仿真中，對(duì)于所有包含項(xiàng)的傳熱系數(shù)，您可以使用可用材料屬性中的內(nèi)置傳熱系數(shù)，或輸入您自己的項(xiàng)進(jìn)行更多控制，這也是這些研究人員的選擇。

此外，傳熱模塊還包括生物組織傳熱接口，您可以借此對(duì)生物組織中的傳熱進(jìn)行更高級(jí)的模擬。它支持對(duì)過熱及低溫執(zhí)行損傷分析；還包括用于分析血液灌注、組織熱效應(yīng)、代謝熱源等的預(yù)定義接口。

為了計(jì)算溫度陣列，研究人員選擇使用用戶定義傳熱系數(shù)而非COMSOL 軟件中的系數(shù)。為此，他們使用了一組無量綱數(shù)，包括Nusselt、Rayleigh、Grashof 和Prandtl。

團(tuán)隊(duì)從研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，休息狀態(tài)人體必需的核心體溫是36.7 °C，皮膚溫度是31.7 °C，環(huán)境溫度為26 °C。在保證電子設(shè)備安全的情況下，它最高能發(fā)出1.75 W 的熱，以避免設(shè)備溫度超過43 °C 的損傷闕值。該條件下人體皮膚的溫度應(yīng)為39.4 °C。研究人員還發(fā)現(xiàn)如果設(shè)備發(fā)出了2.75 W 的熱，皮膚溫度只會(huì)達(dá)到42.2 °C。但部分設(shè)備零件的溫度將超過49°C，這是我們所不希望的，如果此時(shí)接觸皮膚將可能造成危險(xiǎn)。

圖3、仿真結(jié)果為設(shè)備、皮膚、衣物及周圍區(qū)域的溫度曲線。

研究人員借助仿真找出了可穿戴電氣設(shè)備中容許的熱量收支情況。他們根據(jù)仿真結(jié)果執(zhí)行了進(jìn)一步優(yōu)化，希望提出更安全、可持續(xù)穿戴的設(shè)計(jì)（結(jié)果見COMSOL 用戶年會(huì)格勒諾布爾站2015的研究論文）。正如他們的研究所顯示的，在未來的許多年中，如果能在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)持續(xù)考慮傳熱的影響，將能幫助培養(yǎng)可穿戴市場的創(chuàng)新并促進(jìn)增長。