借助传热模拟实现安全的可穿戴技术设计.docx

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1、借助传热模拟实现安全的可穿戴技术设计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

2、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) o图1、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COM

3、SOL 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

4、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

5、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。clothing layerelectronic :device. section of human body图2、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C0MS0L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

6、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

7、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 Prandtlo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 Co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 0C的损伤阙值。该条件下人体皮肤 的温度应为39.4 Co研究人员还发现如果设备发

8、出了 2. 75 W的热，皮肤温 度只会达到42.2 Co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。hottest touchable surface图3、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。：Brianne Costa, COMSOL 公司