家用脫毛儀的原理和安全性分析【附拆機分解】
前言
家用脫毛儀是近兩年興起的個人護理產(chǎn)品，我第一次接觸到該產(chǎn)品是公司做激光雷達項目，與供應(yīng)廠商技術(shù)溝通時聊到激光器件在個護小家電行業(yè)的出貨量，才知道原來有這么大的市場，所以對這類產(chǎn)品我也一直抱著一探究竟的好奇心理。
最近拿到了一個ulike脫毛儀樣機，正好借著這個機會，結(jié)合產(chǎn)品的拆機研究，對光脫毛的原理、有效性以及我比較關(guān)心的安全性問題做一個分析，所以本文的重點講放在原理性解析和拆機部分，幫大家一起揭開家用脫毛儀的神秘面紗。
一、光子脫毛基本原理
在此之前，我在很多武俠小說里也看到過古老的脫毛方式，先剃，后燙，僧人用香燙了頭皮以后，就不長頭發(fā)了：
實際上這是通過高溫把毛囊組織燙壞燙死，和我們現(xiàn)在的光子脫毛儀原理有一定相似性。
通俗一點的說：皮表的毛發(fā)中有黑色素，它能吸收特定波長的光能量，脫毛儀就是利用了這一現(xiàn)象，發(fā)出該波長的光，使帶有黑色素的毛發(fā)吸收熱量，熱量通過輻射以及毛發(fā)傳遞到毛囊深處，持續(xù)殺傷毛囊的生長組織，起到脫毛作用。
這一理論是1983年的兩位外國學(xué)者（Anderson和Parish）提出的著名的“選擇性光熱解理論”，這個理論的內(nèi)容為：當(dāng)光子能量作用在生物組織上時，靶色基的分子只對特定波長的光能量進行選擇性的吸收，最終的臨床治療效果體現(xiàn)在光子能量被靶色基分子吸收而形成的能量轉(zhuǎn)化上。在脫毛過程中的靶色基是毛干和毛囊中的黑色素，光子作用在黑色素上使黑色素吸收能量產(chǎn)生高溫同時形成熱擴散傳遞，使毛囊的再生組織產(chǎn)生了熱灼傷壞死，來完成永久脫毛的臨床治療。
光與生物組織作用有五種類型，光子脫毛儀屬于“選擇性光熱原理”
說白了，光子脫毛，其實是光子與生物組織之間的一種作用機制。
光子對生物機體組織的熱效應(yīng)；
光子對生物機體組織的光能化學(xué)效應(yīng)；
光子對生物機體組織的光能壓強效應(yīng)；
光子對生物機體組織的電場磁場作用；
光子對生物機體組織的生物刺激效應(yīng)；
以上每一項類型，大家可以自行搜索具體原理，本文不再具體展開，原理上屬于上述第一種——“熱效應(yīng)”，采用的是一種選擇性光熱原理。
光作用在生物機體組織上的光熱作用的六種類型
凝固：使蛋白質(zhì)發(fā)生變性，組織發(fā)生不可逆損傷；（光子脫毛儀作用機理之一）
過熱閾值反應(yīng)：過熱閾值反應(yīng)可以使生物組織機體細(xì)胞發(fā)生不可逆的變化，例如可以使蛋白質(zhì)發(fā)生變性引起細(xì)胞功能的喪失或?qū)е录?xì)胞死亡；（光子脫毛儀作用機理之一）
蒸發(fā)：生物機體組織被加熱使細(xì)胞內(nèi)的水份蒸發(fā)。引起細(xì)胞壁因受壓而體積迅速增大，進一步細(xì)胞壁被壓力沖破，水蒸汽逸出；
炭化：使組織迅速炭化發(fā)生干性壞死；（光子脫毛儀作用機理之一）
燃燒：使組織燃燒；
氣化：使組織中的成份由固體直接變成氣體；
個人分析，光子脫毛儀的光熱作用主要是碳化，兼有凝固、過熱閾值反應(yīng)的效應(yīng)。
二、光子脫毛安全性分析
光子脫毛的生理機理性安全考慮
一般光子脫毛儀清除毛發(fā)的生理部位包括：唇部及上下、腋窩、臂部、四肢、胸部、比基尼等，不同生理部位，其毛發(fā)特征也不一樣，對不同膚色人群也可能會有不同的脫毛條件，因此在確保安全使用光子脫毛類設(shè)備時，這些因素是要關(guān)注的。
光子脫毛首先要在皮膚面上擦敷冷凝膠，這樣可以確保脫毛時不至于被光束燙傷皮膚，然后將脫毛手具出光口貼緊皮膚，并激發(fā)手具開關(guān)發(fā)射特定波長光子完成脫毛。
要達到永久的脫毛效果，必須進行數(shù)次脫毛，因為人體的毛發(fā)生長有三個周期，并且這三個周期是并行存在的，所以只有經(jīng)過數(shù)次光子脫毛，才能使毛囊的并存生長狀態(tài)期被摧毀。
光子脫毛機的物理性安全考慮，核心要素：輻射和散熱
使用光子脫毛設(shè)備，應(yīng)注意光子對眼睛的傷害。
尤其對于激光光源的脫毛儀，雖然大部分激光類型脫毛機屬于中小功率光子的范疇，光功率密度比較低，大概率是屬于安全范疇。但也屬于一種激光器，且810nm波段屬于肉眼不可見波段，非專業(yè)人士，如果不注意，長時間作用，也有對眼睛有傷害，比如，激光驅(qū)動設(shè)備或者整形系統(tǒng)的損壞，會導(dǎo)致某一瞬間產(chǎn)生超過安全閾值的激光從而導(dǎo)致輻射安全隱患。所以，除了品牌的選擇，光源的選擇也非常重要，比如在同等應(yīng)用需求的情況下，脈沖型氙氣燈光源脫毛儀也是很好的選擇。
光子脫毛屬于熱效應(yīng)，務(wù)必選擇最可靠的制冷方案和散熱方案。
光子脫毛過程，為避免肌膚被燙傷或者脫毛過程有痛感，需選擇最可靠的制冷方案，目前主流體驗感比較好的一般選擇TEC制冷或VC液冷+石墨烯熱傳導(dǎo)+藍寶石方案，請認(rèn)準(zhǔn)院線級A++藍寶石等級，品質(zhì)越好的藍寶石散熱以及觸感將會大大提升脫毛體驗感。
光子脫毛的安全性離不開對參數(shù)的理解
一般光子脫毛儀，會對脈沖寬度、能量及照射時間等參數(shù)進行設(shè)置。我們在使用脫毛儀前，需對光子脫毛參數(shù)的含義有一定的理解。
波長：如下左圖所示人體皮膚組織，和下右圖所示較長的波長對人體皮膚組織的穿透更深。就光子的穿透深度和黑色素的吸收而言，選擇810nm對毛干熱的作用更有效。并且810nm被稱為脫毛“金標(biāo)準(zhǔn)”，對脫毛具有最廣泛的有效性和安全性，另外還需考慮個體的具體情況，還應(yīng)在治療時選擇合適的波長。
能量密度：作為一個參考，目前臨床醫(yī)用設(shè)備選擇的功率密度在5-40J／cm^2，可達到較強的脫毛效果。
光斑面積：臨床研究表明光斑面積小于7mm會使光的散射增加，影響穿透深度，方型光斑能更好地覆蓋治療區(qū)域，光斑應(yīng)該足夠大，以保證毛囊的激光能量足夠大。目前常用最小光斑9mmｘ9mm，12mmｘ12mm，或更大方形或矩形光斑。
脈寬：為了避免損傷皮膚同時有效破壞毛囊，光子作用于皮膚的脈沖時間也非常重要。人體皮膚組織的熱馳豫時間：＜10ms，富含黑色素的毛囊的熱馳豫時間：10~100ms。脈寬長度要與毛囊的熱馳豫時間相近，熱馳豫時間是物體受熱后溫度降低一半所需要的時間。
光子脫毛儀使用前后護理注意事項
脫毛完畢后，操作區(qū)域的皮膚有可能會顯現(xiàn)不同程度的紅斑和腫痛，毛囊腫大，通常情況下，幾小時后會自行消退，若現(xiàn)象比較嚴(yán)重，應(yīng)冰敷半小時，再適當(dāng)涂抹紫草油和凝膠等；治療后避光防曬。若現(xiàn)象不減輕，應(yīng)及時就醫(yī)對癥處理。
其他注意事項如下：
選擇一款靠譜的光子脫毛儀：選擇正規(guī)品牌的產(chǎn)品，要查閱產(chǎn)品的各項認(rèn)證，以保證產(chǎn)品的安全性，因為劣質(zhì)脫毛儀是有一定概率對人體產(chǎn)生傷害的。
要清楚自己身體條件是否滿足光子脫毛條件：本身疤痕體質(zhì)者、手臂有開放傷口、光過敏者、傷口感染者、曬傷等情況均不能進行光子脫毛。
脫毛后護理：光子脫毛后盡量不要食用發(fā)性食品，以及做好防曬的措施。
三、光子脫毛儀的兩種主要類型
光子脫毛儀目前主流采用強脈沖氙氣燈或半導(dǎo)體激光器。
激光、IPL脫毛儀的優(yōu)缺點分析
從作用效率角度，半導(dǎo)體激光器型脫毛儀，由于出光為直接與毛囊黑色素起作用的單色光，輻射光能量更集中，因此光輻射光功率密度高，一般認(rèn)為半導(dǎo)體激光器脫毛儀更加的高效。但是實際作用效率，要根據(jù)實際使用情況具體分析。脫毛作用面積角度上，如上圖，也是由于半導(dǎo)體激光器是點光源照射，IPL型的是大面積照射，因此，對于淺層區(qū)域毛發(fā)，半導(dǎo)體激光脫毛儀效率低于IPL型。脫毛作用深度角度，由于半導(dǎo)體激光器的光功率密度更高，作用深度也會比IPL型更高，因此，在深層區(qū)毛發(fā)，單位時間，單位面積半導(dǎo)體激光脫毛儀效率高于IPL型，但由于IPL型輻射面積大的多，雖然照射能量低，但是可以增加照射時間來達到同等效果，以實現(xiàn)空間換取時間來彌補。
從性價比角度，由于半導(dǎo)體激光器光源以及驅(qū)動本身價格高，還需配套光學(xué)整形系統(tǒng)，可見光指示系統(tǒng)，因此光源模塊價格會比IPL強脈沖型氙燈價格更高；
就臨床使用經(jīng)驗而言，IPL強脈沖氙燈型發(fā)展歷史更悠久，臨床驗證時間也更長，因此臨床上表現(xiàn)上可能消費者更容易接受一些；
從技術(shù)成熟度而言，IPL強脈沖氙燈型脫毛儀因為硬件發(fā)展成熟度更高，相應(yīng)性價比會更高。
體驗感與安全性上，半導(dǎo)體激光器只對毛囊黑色素加熱產(chǎn)生痛感，IPL型除了目標(biāo)波段，其他波段也會對皮膚其他組織產(chǎn)生一定的熱量，但實際因為二者產(chǎn)生的制熱痛感主要還是來自于毛囊黑色素的加熱導(dǎo)致的神經(jīng)燒痛，半導(dǎo)體激光器光功率密度很高，目標(biāo)黑色素加熱導(dǎo)致的痛感會更加明顯，實際使用，都會涂覆冷凝膠做冷凝處理，同樣還會有物理降溫措施，因而，只要產(chǎn)品質(zhì)量可靠，實際體感差別不是很大。
四、ulike Air3樣機介紹
為了把理論落到實處，我選取了現(xiàn)在市面上大熱的一款脫毛儀進行真機拆解，打算看看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我手里這款A(yù)ir3打開后，主機及所有附件如下：
不同于其他便攜式小家電產(chǎn)品，脫毛儀由于功率比較大，所以使用時是需要連接外部電源的，24VDC輸出，最大電流2.8A：
機身底部、北部和側(cè)面都有大面積散熱窗口，也說明了激光器件峰值功率高、發(fā)熱大，所以暢通的氣流很重要：
最重要的燈頭照射部分，以及上面的藍寶石窗口（閃光口），可以看到這個窗口的有效面積占比較大，周邊橢圓的無效面積小，脫毛操作時的效率更高：
開關(guān)機+模式切換鍵在機器正面的左下角，機身正面的大按鍵是激光發(fā)射鍵，可單次、可連續(xù)。
前面說了這種強光設(shè)備作用時小面積內(nèi)能量很強，不能用眼睛直視，所以產(chǎn)品中也附帶了保護用的墨鏡，墨鏡的主要作用是通過鍍膜攔截主機發(fā)出的高能量所在波長區(qū)間的光線，來保護眼睛，所以這里建議大家，平時也要妥善保管這個墨鏡，不要把表面刮壞，也盡量不要用其他未知過濾性能的墨鏡來替代：
第一次脫毛的人要注意，通過前面的原理，我們應(yīng)該能了解到脫毛并不是處理皮膚外面的毛發(fā)，而是清理毛囊內(nèi)的，所以脫毛前要首先用刮刀刮除外部毛發(fā)，這個是配套的刮毛刀：
大家在看一個科技產(chǎn)品時，往往會比較關(guān)注專利，但從一個產(chǎn)品研發(fā)工程師的角度，我最關(guān)心的是產(chǎn)品的各項實驗認(rèn)證，這些認(rèn)證都是需要第三方權(quán)威機構(gòu)測試通過才能出具，具有公平、嚴(yán)苛的要求。
大家不要小看這些認(rèn)證，這些是產(chǎn)品開發(fā)過程中，難度最高的環(huán)節(jié)，也是我做硬件開發(fā)20年，認(rèn)為最頭疼的事情。
五、ulike Air3內(nèi)部拆解
我曾嘗試在全網(wǎng)搜索脫毛儀相關(guān)的電路和器件拆機內(nèi)容，非常稀有，幾乎找不到，更多的分析是集中在理論性原理分析，比如光源類型，所以干脆自己做了拆機。
拆機的最大難度在于機器上下蓋板之間的暗扣太多，且配有其他隱藏的螺絲固定，需要花較多時間摸索出一套先后順序才能拆解，我這個拆的時候就沒那么順利了，塑料殼的部分卡扣有磨損，不過里面的電路板最終還是見到了真面目。
電路板正面：下圖左側(cè)大面積的散熱器件，右側(cè)以電源電路為主，多路DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，其中最重要的部分是將輸入低壓直流轉(zhuǎn)換成高壓電源那部分的Boost電路，包含一個繞滿銅色漆包線的變壓器用于升壓，一個貼著白色絕緣保護皮的超大電解電容用于儲能：
看到這里，我發(fā)現(xiàn)，其實脫毛儀的電路原理，與專業(yè)閃光燈極為類似，升壓電路+大容量儲能元件，1300uF/350V高耐壓電解電容：
電路板反面：MCU是核心控制部分，型號是STM32G030，由于空間的局限，它做在一個銅色柔性線路板上，通過FPC方式與綠色主板連接，在背面也能看到白色一大塊，這個電解電容太大了，為了節(jié)省空間，在主板上開了槽，貫穿式設(shè)計。
除了ST的MCU，還有一個Holtek的BS83A02C，這也是個小的控制器，主要用作皮膚壓緊、觸摸感應(yīng)，這個后面會說到：
最核心的部分，我們看看它的光源，把燈頭全部拆開后能看到這是一種氙氣燈管：
也就是說，可以確定地是ulike air3的光源方案屬于強脈沖光的氙氣燈，內(nèi)部是惰性氣體，它的工作原理和驅(qū)動方式如下（簡單一點理解就是靠高壓差產(chǎn)生氣體放電）：
對比上圖，在電路板上也能找到對應(yīng)的設(shè)計，點火器T2是變壓器原理，觸發(fā)后輸出高壓通過一根管子接到燈管：
功率器件可控硅：
這就印證了ulike官方宣傳頁中，對air3的光波長范圍描述：“560nm~1200nm”，這是氙氣燈的特色，接近于日光的光譜，如果是半導(dǎo)體激光，那宣傳的應(yīng)該是某個固定波長，比如810nm左右，這也是用戶可以自行分辨該產(chǎn)品采用了何種光源方案的方法。
在測試過程和拆機過程中最讓我感覺意外的是，機器一開機就能明顯聽到風(fēng)扇的聲音，打開外殼后，散熱部分占據(jù)了小半個機器的面積。
如此大篇幅的散熱設(shè)計，我想理由有下面4個：
1、Air3屬于強脈沖氙燈方案，廣譜波，為了有效脫毛部分的波長達到一定的功率，氙燈的總體功率較高，出光口能量密度是7J/c㎡，出光面積是3.3c㎡，最高出光總能量大于21J/c㎡，光源功率越大，發(fā)熱也越大。
2、驅(qū)動氙氣燈的電路，特別是控制光源開關(guān)的功率器件在大電流下發(fā)熱嚴(yán)重。
3、之所以叫冰點脫毛，是因為特別對藍寶石玻璃部分做了散熱（甚至是制冷）處理，來降低皮膚部位對其他波長的光線吸收后形成的溫升。
4、散熱功率越高，散熱速度越快，才能實現(xiàn)更高頻次的連續(xù)閃光。
經(jīng)過分析，這是一種TEC方案，半導(dǎo)體制冷片，該器件在直流電壓驅(qū)動下，能夠一邊對藍寶石玻璃制冷，一邊通過銅散熱器放熱，對于藍寶石玻璃來說，有主動降溫作用，這也是為什么ulike稱之為“冰點脫毛儀”的奧秘所在。
看看TEC的“冰點”效果，電源開啟后大概幾十秒，能明顯看到藍寶石窗口很快就有冷凝水，如果不觸碰皮膚導(dǎo)熱，甚至?xí)a(chǎn)生冰凍：
拆解藍寶石窗口時，能看到上面有個濾光片，作用是把氙燈的泛光的波長范圍限制到有效范圍：
除了銅散熱器，還有相對于這個小產(chǎn)品的大功率風(fēng)扇，額定功率6W：
這里還有個小細(xì)節(jié)，MCU的柔性線路板上有一個NTC探頭的接入，用于檢測機器溫度，我想這應(yīng)該是用于動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)扇功率，或者過熱保護等其他溫度邏輯：
除此以外，Air3實測如果不貼緊皮膚，是不會觸發(fā)脈沖光的，這個功能的實現(xiàn)是通過燈頭上，圍繞著藍寶石那一圈FPC電路，如果不出意外的話，這是雙通道觸摸感應(yīng)芯片引出的2個大面積pad，利用的是人體電容感應(yīng)原理：
并且邏輯上只有判斷2個pad都觸摸到時，認(rèn)為肌膚接觸是緊密的，此時正面按鍵下的燈才會亮起，此時如果按下才會有光線打出，這樣就不容易漏光：
以上是ulike air3比較關(guān)鍵的設(shè)計，此外，還有其他一些小功能：
機殼內(nèi)嵌了一個NFC標(biāo)簽，里面應(yīng)該有一串SN號，通過手機的近場通信來鑒別產(chǎn)品的真?zhèn)巫R別。
最后，來到了光譜和光強測試環(huán)節(jié)，普通照度計主要是針對可見光譜（390nm~780nm），但ulike air3的是560nm~1200nm，前面提到的選擇性光熱原理脫毛的最佳波長是810nm，所以普通照度計很可能無法檢測該波長下的能量值，通過朋友借到了光譜儀和光功率計，我的思路是先測光譜，驗證air3閃光時的波長分布，再測主要波長下的能量強度。但不幸的是，測試時光譜儀遇到故障，沒成，這個環(huán)節(jié)，只有等后續(xù)了。
不過大致看了下光功率，峰值功率還是挺大的：
本次拆機未能深入分析的部分：
一個脫毛儀的效果取決于有效光的波長，及其能量密度，但由于短時間的光功率很大，不能持續(xù)發(fā)光，有器件發(fā)熱以及功率問題，這就涉及到單次光源的脈沖寬度，以及連續(xù)模式下的脈沖間隔。
我測了脈沖寬度大概是1.3ms，但是對該波形無法評價，因為目前還不熟悉評判標(biāo)準(zhǔn)，在什么時序組合下，效果最好，并且安全。
拆機到此結(jié)束，目的也是為了讓大家和我一起深入了解該類產(chǎn)品的內(nèi)部設(shè)計、原理。
這里也提醒大家：如沒有一定的電子基礎(chǔ)，不要隨意去拆解脫毛儀產(chǎn)品，即使不接電源，內(nèi)部的電解電容內(nèi)也可能殘余上百伏電壓 ，會有一定危險性，我的拆解也是確保沒有風(fēng)險的前提下進行的。
六、總結(jié)
通過本次對光子脫毛儀的相關(guān)理論研究，我自己也基本上搞清楚了這類產(chǎn)品的技術(shù)原理，這是一種利用了特定波長的高頻脈沖能量對毛囊內(nèi)相應(yīng)組織的破壞，確實能夠?qū)γl(fā)生長起到抑制作用，該技術(shù)的有效性是科學(xué)的，同時也存在安全性的問題，需要產(chǎn)品本身對能量的控制、人體皮膚的防護有可靠的安全技術(shù)手段。
對用戶來說，很難自行區(qū)分某個產(chǎn)品的性能和安全性，在選購時應(yīng)多關(guān)注并核實該產(chǎn)品的安全認(rèn)證信息，并且要嚴(yán)格遵循說明書里的使用說明去操作，以免出現(xiàn)不良問題。
