消費及醫學類可穿戴技術的熱度正逐年上升。這類設備旨在實現持續使用，如果設計不合理，設備產生的熱量就會導致故障并可能燒壞設備。為避免對設備使用者造成傷害，在設計產品時必須將傳熱的影響考慮在內。COMSOL Multiphysics 的仿真功能使它成為了可能。

可穿戴技術：使用及注意事項

上個月的國際消費電子展(CES) 展示了本年度即將推出的各類技術創新。可穿戴是本次大會的焦點之一，包括從用于跟蹤健身狀況的手環到智能手表等產品的最新進展。在各項新發明展示中，包括一種可以監控日照量的皮膚貼片，能防止紫外線傷害；一種能夠向緊急聯系人發出警報的服裝配飾；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應用，設計目的在于監控您全天的體育鍛煉情況。

隨著可穿戴技術的持續發展，有一系列問題急需解決。例如，這些設備將持續收集并儲存我們的個人數據，因此應該極其安全。黑客們一直在嘗試竊取此類數據，他們還試圖控制負責健康監控及藥物分配的可穿戴醫療設備，這將造成嚴重后果。另一個需要考慮的問題是設備的安全性。如果這些我們本應長期佩戴的設備發生過熱，就可能造成燒傷。

通過研究設備內的傳熱及其對人體皮膚的影響，我們可以優化可穿戴技術，實現更安全的使用。Thoratec 公司的研究團隊使用COMSOL Multiphysics 和傳熱模擬研究了長時間佩戴后電子設備中的傳熱。現在讓我們仔細分析一下……

可安全穿戴的電子設備

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

如要避免皮膚傷害，電子設備就必須滿足國際電工委員會 (IEC) 指定的標準。該標準列出了設備持續使用時不應超過的最高安全溫度。IEC 規定的損傷閾值是43°C，與上文提到的44°C 的皮膚受損溫度一致。標準還定義了皮膚與設備在10 分鐘內的穩態接觸情況。對市面上的大部分可穿戴設備而言，這是維持其正常運行所必需的時長。

為了設計一款可以滿足該標準的設備，Thoratec 公司的研究人員使用仿真預測了皮膚在接觸設備時的溫度。他們還分析了設備的熱量收支，即設備溫度在達到會傷害人體皮膚的損傷闕值前會產生多少熱量。

研究可穿戴技術設計中的傳熱

仿真分析的主要目的是模擬皮膚、其他各類皮下組織、設備內及周圍區域的傳熱。團隊使用Pennes 方程描述了人體內的傳熱。這是熱傳導的正則方程，但加入了一個源項，將血液流動考慮在內。注意血液本身并非熱源，但當它超過或低于體溫時，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、肌肉與內臟。模型還包括一個141 mm * 83 mm * 25 mm 的電子設備，設備內包括電路板、線材、電池、外殼及滯留空氣。由于存在導電零件，使用熱傳導方程模擬了該設備。

圖2、基本模型幾何，包括電子設備、部分人體以及衣物層。圖片由J. F. Hansen 提供，取自他在COMSOL 用戶年會格勒諾布爾站2015 提交的研究論文。

研究人員為皮膚、設備及衣物設定了邊界條件。設備內表面與皮膚相接觸，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）將影響結果。例如，與寬松的汗衫相比，修身的氨綸襯衫會將器件更緊地包裹在手腕周圍，產生的溫度也將不同。這里，研究人員模擬了一個緊密包圍在設備外層的3 mm 厚的織物；并在模擬其中的滯留空氣時加入了熱傳導。

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。對于血液熱源項，研究人員直接在物理場接口的源項中輸入了Pennes 方程。在您自己的仿真中，對于所有包含項的傳熱系數，您可以使用可用材料屬性中的內置傳熱系數，或輸入您自己的項進行更多控制，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，您可以借此對生物組織中的傳熱進行更高級的模擬。它支持對過熱及低溫執行損傷分析；還包括用于分析血液灌注、組織熱效應、代謝熱源等的預定義接口。

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

團隊從研究結果中發現，休息狀態人體必需的核心體溫是36.7 °C，皮膚溫度是31.7 °C，環境溫度為26 °C。在保證電子設備安全的情況下，它最高能發出1.75 W 的熱，以避免設備溫度超過43 °C 的損傷闕值。該條件下人體皮膚的溫度應為39.4 °C。研究人員還發現如果設備發出了2.75 W 的熱，皮膚溫度只會達到42.2 °C。但部分設備零件的溫度將超過49°C，這是我們所不希望的，如果此時接觸皮膚將可能造成危險。

圖3、仿真結果為設備、皮膚、衣物及周圍區域的溫度曲線。圖片由J. F. Hansen 提供，取自他在COMSOL 用戶年會格勒諾布爾站2015 提交的研究論文。

研究人員借助仿真找出了可穿戴電氣設備中容許的熱量收支情況。他們根據仿真結果執行了進一步優化，希望提出更安全、可持續穿戴的設計（結果見COMSOL 用戶年會格勒諾布爾站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，如果能在設計可穿戴設備時持續考慮傳熱的影響，將能幫助培養可穿戴市場的創新并促進增長。

作者：Brianne Costa，COMSOL公司