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可穿戴设备竟然可能成为皮肤热损伤的来源?

2024-06-13 16:54:49 BIL​​L SCHWEBER 阅读:
你可能认为不必担心智能手表或健身设备等可穿戴设备会有什么发热问题。毕竟,它们采用的只是小型充电电池,而且会尽可能减少电池能量的消耗来延长工作时间…

你可能会认为,使用者大可不必担心智能手表或健身设备等可穿戴设备会有什么发热问题。毕竟,它们采用的只是小型充电电池,而且设备会尽可能的减少对电池能量的消耗来延长工作时间,通常至少可以达到24小时续航。Avaednc

相较于CPU、GPU或其他处理器核心组件动辄几十瓦或上百瓦的功率,可穿戴设备的散热量低了几十倍。然而,可穿戴设备很可能会是高度局部化的热源,因而也可能造成潜在的皮肤问题。Avaednc

我一直不曾想过可穿戴设备对于皮肤局部发热的影响有多大,直到有一天,我偶然读到了几篇关于这个主题的文章。第一篇是在IEEE会议上发表的文章,随后刊登于《InCompliance》期刊,其标题是“Pennes生物热方程式的降序建模实现热剂量分析”(Reduced-Order Modeling of Pennes Bioheat Equation for Thermal Dose Analysis)。第二篇则刊登于《Electronics Cooling》期刊,题为“智能手表的热管理和安全监管”(Thermal Management and Safety Regulation of Smart Watches)。Avaednc

第一篇文章通过复杂的热模型和方程式进行了深入分析,不过,我并不想过多着墨于其细节,而是实际地掌握其整体信息:可穿戴设备可能具有高到惊人的局部皮肤散热量。Avaednc

文中指出,简单地说“皮肤”实际上包括四种不同的组织层,每一层在其几何、散热和生理特征方面都是独一无二的。最外层是裸露的表皮层,其下是真皮层——皮肤的“核心”,然后是皮下脂肪(透明)层,最后是内部组织肌肉和骨骼,如图1。Avaednc

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图1:“皮肤”一词实际上是指四层结构,每一层都有独特的组织、热量和其他特性,大多数的特性都很难测量。(来源:Cleveland Clinic)Avaednc

皮肤损伤的分析,主要取决于每一层的部分或完全坏死(死亡)程度。虽然这超出了我想了解的范围,但我还是对于如何评估皮肤损伤感到好奇。Avaednc

果然不出所料,针对热引起的损伤存在一种定量评估方式,它主要根据在不同温度下的累积暴露程度。这种热剂量的估算采用在43°C时的累积等效分钟数,即CEM43°C,该途径提供了一个时间及其持续时间的数字:Avaednc

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其中,T是组织温度,t是时间,R是温度的分段常数函数:Avaednc

当 T ≤ 43°C 时,R(T) = 0.25;当 T > 43°C 时,R(T) = 0.5。Avaednc

至此,一切顺利。这篇冗长的论文的其余部分深入研究了热流模型、热量通过表皮扩散以及将表面数据转化为三维数据等问题。由于热流穿过表皮层难以测量和建模,特别是表皮层是各向异性的(即沿不同轴线的热流各不相同),因此分析变得更加复杂。Avaednc

让我们直接切入主题:如同温水煮青蛙一样,即使是适度的穿戴设备自发热,随着时间的推移,也会造成皮肤损伤,因而有必要对其进行建模、测量和评估。那么,可容忍的发热量是多少?当然,这方面业界已有相关标准,例如IEC Guide 117:2010,“电气设备–可接触热表面的温度”(Electrotechnical equipment – Temperatures of touchable hot surfaces)标准。Avaednc

接下来怎么做?

知道存在问题是解决问题的第一步。就可穿戴设备而言,显而易见的解决方案是进一步降低功耗,这样做的另一个好处是可以延长运行时间。但是,人们正在努力寻求超越这种简单解决方案的方法。Avaednc

就在阅读上述两篇文章的同时,我还看到了学术期刊《科学进展》(Science Advances)上的一篇文章:“用于皮肤电子产品先进热管理的超薄、柔软、辐射冷却界面”(Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics)一文。以香港城市大学为主导的一个研究小组设计了这种基于光子材料的超薄、柔软、辐射冷却界面(USRI),有助于大幅提高设备的散热能力。Avaednc

他们的多功能复合聚合物涂层可在不使用电力的情况下,提供辐射和非辐射冷却能力,并在可穿戴性和可伸缩性方面取得了进展。冷却界面涂层由二氧化硅(SiO2)空心微球、二氧化钛(TiO2)纳米颗粒和荧光颜料组成,能够改善红外线辐射,提高太阳反射率。其厚度不到1mm、重量轻(约1.27g/cm2),并具有强大的机械柔韧性,如图2所示。Avaednc

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图2:支持USRI的可穿戴电子设备热管理概述。(A) USRI的组件和组装途径展开图。(B) 制作USRI层 (i) 以及贴在手腕和手上的USRI层 (ii) 的照片。(C) 与USRI无缝集成的可穿戴电子设备的热交换过程,包括辐射(热辐射和太阳反射)以及非辐射(对流和传导)的贡献,以及内部焦耳散热。(D) 可穿戴设备中辐射和非辐射过程的冷却功率比较,作为焦耳散热引起上述环境温度的函数。(E) 概念图显示USRI在可穿戴和可拉伸电子产品中的功能优势和潜在应用。(来源:香港城市大学)Avaednc

当采用这种热界面的可穿戴设备产生热量后流向冷却界面层,并经由热辐射和空气对流散逸到周遭环境中。在该界面层上方的开放空间,提供了冷却散热片以及额外的热交换通道。Avaednc

为了评估其冷却能力,他们将冷却界面层保形涂覆到用作热源的金属电阻丝上,如图3所示。涂层厚度为75μm时,金属线的温度从140.5°C降至101.3°C,相较于输入电流为0.5A、涂层厚度为600μm时,金属线的温度降至84.2°C,降温幅度超过56°C。这确实令人印象深刻。Avaednc

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图3:皮肤电子设备中导电互连的被动冷却。(A) USRI集成柔性热导线的展开图。(B) 柔性热导线在涂覆USRI之前和之后的照片,显示其于弯曲、扭转和折叠时的无缝和坚固集成度。(C) USRI涂层柔性热导线的热交换过程。(D和E) 在不同工作电流下,不同界面厚度(D)和界面面积(E)的USRI集成柔性热导线的温度变化测量结果。彩色阴影区域表示仿真结果。(F) USRI集成柔性热导线的影像以及不同厚度和面积的此类设备相应红外线影像。工作电流保持在0.3A。(G和H) 两根涂有USRI涂层的柔性热导线在0.1至0.5A电流下的冷却温度统计。对照组和USRI组的厚度和界面面积均存在显著差异(界面厚度P = 0.012847,界面面积P = 0.020245,n = 3)。(I) 不同厚度、面积和电流的USRI集成柔性热导线温度分布。(来源:香港城市大学) Avaednc

您是否担心可穿戴设备可能会过度散热及其可能由此带来的风险?您是否了解针对这一现象的相关监管标准?您又是如何解决这类问题的呢?Avaednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Who knew? Wearables can be excessive skin-heat sources, too.,由Susan Hong编译)Avaednc

责编:Ricardo
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