Я сконструировал собственный аппарат для электроэпиляции

Автор рассказывает, как самостоятельно создал аппарат для электроэпиляции, с какими сложностями столкнулся и как решал проблемы разработки.

Аксиома: волосы на теле — это отвратительно. По крайней мере, я так считаю. Я решил создать аппарат, который позволит мне навсегда удалить их с помощью электричества.

Существует множество способов временно избавиться от волос на теле. Бритьё, пожалуй, самый распространённый. Есть и другие методы, которые дают более длительный эффект, например, эпиляция или восковая депиляция. Они удаляют все волосы целиком, и это даёт больше времени для их повторного роста, чем просто срезание на поверхности.

Если вы ищете что-то более постоянное, лазерная эпиляция — это вариант. При этом лазерный свет используется для нагревания фолликулов и их уничтожения. Большинство людей считают эффект постоянным, но на самом деле это скорее постоянное уменьшение количества волос, а не их полное удаление.

На самом деле существует только один вид удаления волос, который FDA считает стабильным, — это электроэпиляция.

Краткое введение в электроэпиляцию

Сейчас самое время сделать небольшой дисклеймер. Я не врач. У меня нет никакой квалификации ни в чём, даже отдалённо связанным с этим проектом. Я просто какой-то парень из интернета, у которого случайно оказался паяльник. Воспринимайте всё, что я говорю, с большой долей скептицизма.

Итак, давайте поговорим об электролизе волос. Существует 3 основных типа:

• гальванический электролиз волос — самый простой тип. Игла вводится в фолликул, и в течение нескольких секунд подаётся небольшой ток. Это приводит к образованию щёлочи (гидроксида натрия) в результате химического процесса электролиза. Эта щёлочь навсегда убивает фолликул;

• термолиз, который технически не является электролизом, но их часто объединяют. Игла тоже вводится, но на этот раз подаётся радиочастотный ток. Это вызывает очень локальный нагрев, который убивает фолликул. Этот процесс намного быстрее — предположительно, всего лишь доля секунды на фолликул;

• смешанный электролиз — это комбинация двух методов. Используется одна игла, которая подаёт как постоянный, так и радиочастотный ток. Это сочетает в себе многие преимущества обоих методов. Насколько я понимаю, это наиболее распространённый метод в профессиональной практике.

Я решил сосредоточить свои усилия на создании гальванического аппарата. Это проще, чем радиочастотная магия, и я мог найти больше информации о его характеристиках. Даже в учебниках найти технические характеристики радиочастотного аппарата было сложно. Радиочастотный метод, как правило, гораздо проще испортить, что может привести к ожогам или даже рубцам. Гальванический кажется немного более защищённым от ошибок. Конечно, всё ещё возможно нанести некоторый вред, если очень постараться.

Немного подробнее о гальваническом электролизе

Поскольку я выбрал гальванический электролиз, я хочу предоставить немного больше информации о нём. Как я уже говорил, мы хотим создать щёлочь в фолликуле. Мы делаем это, пропуская электрический ток между двумя электродами. Один электрод — это игла, которая вводится в фолликул. Другой электрод располагается снаружи тела. Его местоположение не имеет решающего значения.

Как оказалось, количество образующегося щелочного раствора можно определить, вычислив интеграл тока по времени. В контексте электроэпиляции волос количество щелочного раствора указывается в единицах щелочи (LU), где 1 мА в течение 1 с даёт 10 LU. Максимальный ток обычно ограничен болевым порогом пользователя, но меньший ток компенсируется более длительной работой аппарата. На самом деле это довольно просто!

Вот таблица значений щелочи, взятая из медицинского учебника «Принципы и практика электроэпиляции» (3-е издание, 2001 г.).

 Учитывая всё это, я был готов создать свой первый прототип.

Прототип

У меня в квартире было почти всё необходимое. Единственное, чего у меня не было, это иглы для введения в фолликул. К счастью, моя подруга Оливия пришла на помощь; когда я навестил её в Портленде, она дала мне 20 запасных игл, которые остались у неё от собственного проекта по электроэпиляции волос.

То, что я собрал для первой попытки, было крайне примитивным. Я подключил иглу к потенциометру, который использовался для приблизительного ограничения тока, а затем к автомобильному аккумулятору. Я также вставил в схему амперметр, чтобы контролировать параметры. В качестве второго электрода я использовал жестяную банку из-под газировки. Взяв банку, я замыкал цепь и запускал электрический ток. Одним из побочных эффектов было то, что я мог приблизительно регулировать ток, сжимая банку сильнее. Чем сильнее я сжимал, тем больше снижалось сопротивление и тем больше был ток.

Вот как выглядел результат моих усилий: 

Признаюсь, это не самое безопасное устройство в мире. Я следил за показаниями амперметра и засекал время, считая секунды, чтобы приблизительно определить количество образовавшейся щёлочи. Достигнув цели, я отпускал банку. Как бы это ни было неуклюже, мне удалось успешно использовать это устройство для удаления волос с руки! Это был эйфорический момент, когда я понял, что проект сработает. Выпавший фолликул был огромным — это напомнило мне эпиляцию, только безо всякого сопротивления.

Я довольно сильно боюсь игл, но введение иглы меня совсем не смутило. Она входит в уже имеющееся отверстие, и она настолько маленькая, что даже если я промахнусь мимо фолликула, это всё равно будет совершенно безболезненно. На самом деле, многие электрохирурги предпочитают называть её зондом, а не иглой, потому что она ничего не прокалывает. Немного смущало лишь ощущение, когда игла упёрлась в фолликул — это неприятно, но всё же не больно. Сам электрический разряд был немного болезненным, но не так сильно, как я ожидал, судя по рассказам других. Субъективно я бы отметил, что это немного болезненнее, чем лазерная эпиляция.

После экспериментов я отправил приведённое выше изображение нескольким друзьям с объяснением:

И получил широкий спектр отзывов:

Теперь, когда я доказал работоспособность концепции, пришло время превратить это во что-то действительно пригодное для использования.

Улучшение иглы

Одной из самых неудобных частей этой первой итерации было управление иглой. Я держал её просто парой зажимов типа «крокодил», что затрудняло контроль. Профессиональные электрологи используют так называемую электроэпиляционную ручку, которая буквально выглядит как ручка с торчащей электроэпиляционной иглой.

Оборудование для электроэпиляции, как правило, невероятно дорогое, и электроэпиляционные ручки не являются исключением. В результате я решил собрать свою собственную. Самой сложной частью было придумать, как держать иглу. Я перепробовал множество вариантов, но ничего толком не работало. Затем я услышал от знакомого своего знакомого, что контакты разъёма DE-9 отлично подходят. Я смог это подтвердить; не идеально, так как иглы немного шире, чем DE-9, но посадка очень плотная и надёжная.

Теперь, когда я разобрался с самой сложной частью, мне оставалось только спроектировать и распечатать саму ручку на 3D-принтере. Я на скорую руку собрал что-то во FreeCAD и распечатал это в двух частях.

Я склеил части ручки вместе, расположив гнездо посередине. Честно говоря, я бы предпочёл что-то, что плотно облегало бы штырек, но подходящих точек крепления не было, а FDM-печать слишком низкокачественная. В итоге получилось неплохо, хотя правильно отцентрировать штырёк было непросто.

Я также добавил колпачок для защиты иглы, в основном во время транспортировки. Как ни странно, я напечатал всё красным и использовал красный провод, но игла на самом деле подключена к отрицательной клемме источника тока. Полярность важна; если допустить ошибку, в фолликуле вместо щёлочи будет образовываться соляная кислота, что гораздо чаще приводит к образованию рубцов!

А теперь давайте соберём сам аппарат.

Разработка реального устройства

У людей много волосяных фолликулов, поэтому любые ручные операции станут монотонными и чреваты ошибками. Поэтому я хочу, чтобы моя машина автоматизировала всё, что возможно. Силу тока необходимо установить один раз, а затем точно контролировать. Включение должно осуществляться с помощью ножной педали, а выключение — автоматически при достижении заданного количества щёлочи. Также сила тока должна увеличиваться в начале работы и уменьшаться в конце, чтобы сделать процесс менее болезненным. Для практичности машина должна быть небольшой и работать от батареи. Наконец, она должна быть достаточно безопасной; машина физически не должна быть способна выдавать опасное количество тока.

Я придумал вот что: 

Архитектура платы относительно проста. Для питания используется одна батарея 3,7 В, а для управления — микроконтроллер RP2040. Пользователь взаимодействует с устройством через один OLED-дисплей и поворотный энкодер. Также есть 3,5-мм разъём для подключения к ножной педали. Я добавил несколько дополнительных кнопок на всякий случай, но так и не использовал их. Помимо этого, есть два основных элемента, которые фактически обеспечивают электролиз волос: зарядный насос и ЦАП тока.

Зарядный насос

Корпус имеет высокое сопротивление, даже несмотря на то, что игла проходит под кожей. Нам нужно достаточное напряжение, чтобы пропустить ток. Нашей батареи на 3,7 вольт недостаточно. Я не хотел использовать второй источник питания, поэтому нам нужно повысить это напряжение.

Один из самых простых способов получить более высокое напряжение — это использовать так называемый зарядный насос. Это семейство преобразователей постоянного тока, которые используют конденсаторы для перемещения заряда. Они очень эффективны и просты. Для своей платы я использовал зарядный насос Диксона:

Всего с несколькими конденсаторами и диодами мы можем преобразовать 2 смещённых по фазе ШИМ-сигнала от моего RP2040 в гораздо более высокое напряжение. Я использую 3 ступени для преобразования моего ввода/вывода 3,3 вольта в чуть более 12 вольт. Из-за относительно небольших конденсаторов и низкой скорости переключения схема способна выдавать всего несколько миллиампер. Это отличная функция безопасности — даже если наш собственный ограничитель тока выйдет из строя, мощности просто недостаточно, чтобы нанести серьёзный ущерб.

Текущий ЦАП

У нас достаточно напряжения и тока для запуска процесса электролиза, но нам нужно точно его контролировать. На самом деле важно точно контролировать ток, поскольку от него зависит количество образующегося щёлочи.

Схема для этого довольно проста. Мы используем 5-битный резисторный ЦАП в качестве источника напряжения, управляемого микроконтроллером. ЦАП R-2R был бы лучше (т.е. было бы меньше работы при сборке), но это была работа в спешке, как я объясню позже.

Выход ЦАП подаётся на операционный усилитель, который сравнивает его с измерительным резистором. Выход операционного усилителя подаётся на биполярный транзистор. В результате мы получаем ток, пропорциональный напряжению ЦАП. Хотя этого достаточно для наших целей, я также передал показания тока обратно в RP2040 через его АЦП. Это позволяет RP2040 проверить, соответствует ли подаваемый ток запрошенному. Например, если сопротивление корпуса слишком высокое, мы можем не получить весь ожидаемый ток. Важно, чтобы микроконтроллер знал фактическое значение, чтобы правильно рассчитать количество щёлочи.

По причинам, которые мне сейчас непонятны, я выбрал эту плату в спешке, чтобы успеть её заказать. Я был настолько небрежен, что сразу заметил довольно серьёзные проблемы. Версия 2 была заказана менее чем через день; мне удалось объединить заказы, так что это обошлось мне всего в несколько долларов. Хотя шаг немного стыдный, особенно учитывая, что теперь у меня есть куча совершенно бесполезных плат.

Обычно я заказываю сборку печатных плат, потому что это очень дёшево, но это был довольно низкорисковый проект, и я решил собрать плату сам. Я заплатил немного больше за трафарет для пайки. Это был мой первый опыт использования трафарета, но он значительно ускорил сборку.

Платы пришли чуть больше чем через неделю. Они были доставлены в пятницу, и я сразу же собрал их, как только вернулся домой.

Выходные я провёл дома, занимаясь написанием прошивки. К воскресенью она была практически готова и работоспособна. Я мог установить целевой уровень щёлочи, максимальный ток и скорость нарастания. Все эти параметры хранятся во флэш-памяти, поэтому они сохраняются между включениями и выключениями питания. Я также реализовал функцию самотестирования, которая позволила мне убедиться, что всё работает правильно. Вся система управлялась графическим интерфейсом, который я создал с нуля.

Прошивка написана на Rust с использованием фреймворка Embassy. Вообще-то я обычно работаю с RTIC 1, но для этого проекта решил попробовать что-то новое. Сначала я был немного скептически настроен, но мне на самом деле очень нравится Embassy. Использование асинхронных операций для совместной многозадачности работает действительно хорошо.

Помимо обеспечения функциональности прошивки, было также важно сделать её симпатичной. Плата оснащена пьезоэлектрическим зуммером, и я позаботился о том, чтобы он издавал всевозможные звуки и гудения, когда это уместно. Больше всего мне нравится, когда при запуске самотеста проигрывается небольшая шкала звуков, которая плавно переходит в текущий диапазон!

На этом этапе проекта я начал обсуждать то, что создаю, с друзьями. Мне показалось довольно забавным, сколько людей спрашивали, на чём я это тестирую — программисты такие милые со своими тестовыми средами <3. Конечно, я тестировал на себе с самого первого дня. Настоящие баги — это баги, которые заставляют рисковать увечьями :3 (Я, конечно же, тщательно всё проверил мультиметром и осциллографом, прежде чем подключать к своему телу!).

Во время тестирования я обнаружил несколько аппаратных проблем:

• насос зарядки был подключён напрямую к RP2040, и при запуске потребление тока создавало большую нагрузку на выводы GPIO. После достаточного количества запусков я в конце концов сжёг один из контактов. Это привело к тому, что выходное напряжение оказалось ниже ожидаемого. Я обошёл проблему, добавив к источнику питания дешёвый блок питания. Это не самое безопасное решение, но для тестирования оно сработало. Позже я добавил несколько самодельных проводов, чтобы подключить зарядный насос к другому выводу GPIO, используя токоограничивающие резисторы для защиты от повреждений;

• у токоограничивающей схемы была довольно серьёзная проблема. Ток мог просачиваться через базу биполярного транзистора и ошибочно воспринимался как подаваемый ток, что искажало измерения (и приводило к тому, что фактический ток был ниже запрошенного). Мне удалось установить резистор, чтобы хотя бы улучшить ситуацию, но она всё ещё не была идеальной.

Также было много мелких проблем. 5-битный ЦАП действительно не обладал достаточной точностью, а АЦП RP2040 был просто ужасен. На шелкографии были ошибки из-за первоначальной спешки. Самое вопиющее, что они включали в себя полную замену названий двух компонентов! К счастью, я заметил это во время сборки, иначе, вероятно, что-нибудь бы повредил.

Даже с этими проблемами устройство всё равно представляло собой огромное улучшение по сравнению с автомобильным аккумулятором. Я мог быстро уничтожать волосяные фолликулы по одному. Тем не менее, эти проблемы привели меня к разработке новой платы.

Разработка версии 3

Поскольку версия 1 была заказана и практически сразу же отбракована, следующая плата получила обозначение версии 3 (хотя я на самом деле рассматривал её только как вторую версию). На этот раз я решил, что главное — не спешить.

Я исправил все основные проблемы. Биполярный транзистор был заменён на МОП-транзистор, что решило проблему утечки тока. Я добавил несколько резисторов вокруг зарядного насоса для защиты RP2040. Заодно я добавил ещё один каскад для увеличения генерируемого напряжения до чуть более 15 вольт. Я также заменил резисторный ЦАП и АЦП RP2040 на отдельные микросхемы. Наконец, я составил список мелких проблем и убедился, что исправил их все.

Я также решил улучшить компоновку платы. Размещение дисплея на передней панели не имело смысла — он занимал слишком много места! Я переместил его, как и остальной интерфейс, на заднюю панель. Большинство разъёмов были установлены. Это позволило мне уменьшить размер платы до квадрата со стороной всего 53 мм. Несмотря на меньший размер, я не спешил и проложил дорожки лучше, чем в предыдущей версии. Прокладка дорожек — такой расслабляющий процесс, когда не торопишься!

К этому моменту я технически закончил проект, но решил обдумать всё, провести ещё один обзор платы, а затем сделать заказ. Обычно я предпочитаю поспать перед окончательным обзором платы — часто это помогает заметить новые детали, которые я упустил раньше. Я также заказал необходимые новые компоненты; большинство я мог использовать из предыдущей версии, но несколько новых деталей всё же пришлось заказать.

Пока всё доставлялось, я быстро разработал корпус, используя OpenSCAD и YAPP_Box. Я обожаю параметрические корпуса для своих проектов; всё делается просто с помощью кода!

Третья версия оказалась гораздо успешнее второй. Новые ЦАП и АЦП были просто потрясающими — мне понравилось, что я мог точно запрашивать нужный мне ток, а АЦП был настолько точным, что я буквально мог наблюдать, как падает напряжение батареи на 2 мВ за раз. В ближайшем будущем я не планирую заказывать четвёртую версию. Исправления почти не требуется!

Использование устройства

К этому моменту я уже удалил немало волос и у меня сформировалось некоторое представление о его работе. Я заметил, что окружающая среда очень динамична — как только началось производство щёлочи, многое изменилось. Во-первых, сопротивление упало — я чувствовал это, когда работал от автомобильного аккумулятора, но источник постоянного тока платы делал это незаметным. Щёлочь также действует как смазка, благодаря чему игла скользит гораздо легче.

Поначалу у меня всё шло довольно плохо, я постоянно промахивался мимо фолликулов, но со временем стало лучше. Один из признаков этого — появление «укуса комара» в месте введения. Конечно, это был не настоящий укус насекомого, но выглядел он почти идентично. Когда я правильно вводил иглу в фолликул, укуса не было, и вместо этого щёлочь немного вытекала.

Демонстрации

Итак, теперь к тому, ради чего вы пришли.

Вот видео, где я показываю все меню. Их не так много, но, думаю, они дают хорошее представление о том, как нужно взаимодействовать с устройством. Я также показываю, как на самом деле использую его, хотя вместо человека использую просто фиктивную нагрузку. Фиктивная нагрузка — это резистор на 470 Ом, встроенный в устройство.

А теперь, пожалуй, более крутая демонстрация, где я использую устройство для полного удаления одного волоска на руке. 

Конвейер CI/CD

Это не совсем относится к фактическим целям этого проекта в области аппаратного обеспечения, но я разработал довольно неплохой конвейер CI/CD для всего, что связано с аппаратной частью. Я упаковал Kibot для Nix, а затем создал множество производных Nix для всего. Есть один для сборки корпуса, один для запуска тестов платы (электрических и проектных правил), один для генерации файлов, необходимых для изготовления платы, и один для рендеринга платы. Изображения в README фактически указывают на эти артефакты, поэтому, когда я вношу изменения в плату, они автоматически отображаются!

Специалисты по аппаратному и программному обеспечению, как правило, не сильно пересекаются, поэтому CI/CD для плат — довольно необычное явление. Однако мне очень нравится этот рабочий процесс. Когда «компиляция» платы означает трату реальных денег, возможность повторного выполнения, пожалуй, полезнее, чем побочный проект по разработке программного обеспечения, где я могу попробовать всё бесплатно.

Прощайте, волосы на теле!

Так что да, я создал работающий аппарат для электроэпиляции волос, который потенциально сэкономит мне сотни или тысячи долларов. Я также могу делать электроэпиляцию дома, когда у меня есть немного свободного времени. Мне это кажется гораздо более оптимальным вариантом, чем записываться на приём.

Самостоятельная электроэпиляция волос не является чем-то неслыханным, но я считаю, что это, безусловно, самый продвинутый аппарат для самостоятельной сборки. Я надеюсь, что повышенная автоматизация окупится, сэкономив мне время и нервы. Как и все мои проекты, я снабдил его открытым исходным кодом. Конечно, я не могу рекомендовать его воспроизведение — это, по сути, медицинское устройство, разработанное идиотом, — но я надеюсь, что эта конструкция будет полезна кому-то.

Я думаю о создании аппарата для смешанной электроэпиляции. Мне хочется поучаствовать в хорошем радиочастотном проекте. Но там гораздо меньше доступных данных и гораздо больше возможностей для ошибок, как я уже упоминал.

Аппаратное обеспечение, включая схемы, конструкцию платы, корпус и ручку, находится здесь.

Прошивка, работающая на устройстве, находится здесь.