來源：Science，研之成理

原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654

01 背景介紹

在日常生活中，服裝在調(diào)節(jié)人體熱量以保持人體熱舒適度方面發(fā)揮著不可或缺的作用。最常見的情況之一是，在環(huán)境溫度時(shí)高時(shí)低、變化迅速的情況下保持體溫在安全范圍內(nèi)，例如，從舒適的室內(nèi)環(huán)境（約 25℃）走到炎熱（>36℃）或寒冷（<15℃）的室外環(huán)境。如果沒有快速適應(yīng)這種快速變化的環(huán)境溫度、降溫或升溫的能力，人們可能會(huì)感到不舒服或生病，甚至死亡。更具挑戰(zhàn)性的情況是，在嚴(yán)寒的極地或太空旅行（在陽光下極熱，在黑暗中極冷）等惡劣環(huán)境中，如何使我們的身體保持在舒適的溫度范圍（皮膚溫度）。因此，能像宇航服那樣使人體保持在舒適的溫度范圍（皮膚溫度）的可穿戴體溫調(diào)節(jié)服裝，一直是智能服裝系統(tǒng)長期追求但又極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

02 成果掠影

近期，南開大學(xué)馬儒軍教授、陳永勝教授、劉永勝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了一種先進(jìn)的自供電可穿戴體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它將柔性的 OPV 模塊和 EC 體溫調(diào)節(jié)單元集成在一起，實(shí)現(xiàn)了高效的個(gè)性化體溫調(diào)節(jié)。其主動(dòng)控制功能可根據(jù)人體需要進(jìn)行快速制冷/制熱雙模式體溫調(diào)節(jié)。此外，通過 OETC 快速體溫調(diào)節(jié)，熱舒適區(qū)可從 6.0 K 擴(kuò)展到 25.1 K，從而確保人體在各種復(fù)雜和不穩(wěn)定環(huán)境中的安全和舒適。得益于 EC 設(shè)備的低能耗，OETC 可以實(shí)現(xiàn)可控的全天候雙模式體溫調(diào)節(jié)。再加上其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、效率高、自適應(yīng)性強(qiáng)等其他突出特點(diǎn)，本研究相信，經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化，OETC 可以在高端體溫調(diào)節(jié)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景，甚至可以擴(kuò)展人類在極地和太空行走等惡劣環(huán)境中的生存能力。相關(guān)研究成果以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”為題發(fā)表于《Science》。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1 穿戴OETC 時(shí)的工作模式，以便在所需的熱環(huán)境（陽光下）和冷環(huán)境（黑暗中）之間的循環(huán)中實(shí)現(xiàn)個(gè)人熱舒適性

1.本研究選擇聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]作為 OETC 的溫度調(diào)節(jié)單元，主要是因?yàn)槠潇刈兇?、室溫附?/span>絕熱溫度變化大以及機(jī)械柔韌性好?；赑(VDF-TrFE-CFE)的 EC 系統(tǒng)在高效體溫調(diào)節(jié)方面具有巨大潛力。本研究仿效 Ma 等人的方法制造了一種柔性 EC 體溫調(diào)節(jié)裝置。值得注意的是，本研究的柔性 EC 裝置與剛性裝置具有相同的熱管理性能。

2.在兩個(gè)柔性的裝置準(zhǔn)備就緒后，本研究將它們整合在一起，形成了 OETC 系統(tǒng)。在陽光照射下，OPV 模塊可有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，從而直接驅(qū)動(dòng) EC 設(shè)備，達(dá)到冷卻效果（圖 1）。由于 EC 設(shè)備的能耗較低，多余的能量可以儲(chǔ)存在一個(gè)簡單的附屬儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）中。OPV 提供的電力足以為整個(gè)OETC 系統(tǒng)供電。因此，在黑暗環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境寒冷時(shí)，本研究的 OETC 系統(tǒng)可以利用 ESS 提供的存儲(chǔ)能量來維持體溫，從而實(shí)現(xiàn)全天（白天/黑夜）運(yùn)行。制冷模式和取暖模式可根據(jù)需要隨時(shí)切換，以實(shí)現(xiàn)個(gè)人的熱舒適度。

圖2 柔性O(shè)TC系統(tǒng)的性能分析

要點(diǎn)：

1.本研究展示了由一個(gè) OPV 模塊和兩個(gè) EC 單元組裝而成的柔性 OETC 體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的照片（圖 2A）。這種緊湊的組裝模式可根據(jù)需要為人體提供有效的制冷/制熱。制冷模式下（圖 2B），OETC 系統(tǒng)的工作機(jī)制與電力供應(yīng)相同，但在本研究的系統(tǒng)中，本研究直接利用 OPV 模塊產(chǎn)生的電力為其供電。冷卻模式包括以下步驟：(i) 向頂部柔性傳熱層（作為具有大熱容量的散熱器）靜電驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電聚合體堆；(ii) 通過在導(dǎo)電聚合體堆上施加電場加熱導(dǎo)電聚合體堆，從而將熱量從導(dǎo)電聚合體堆傳遞到柔性傳熱層[圖 2B，(1)]；(iii) 靜電驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電率聚合物疊層朝向底部的人體皮膚（作為熱源）；(iv) 通過消除電場冷卻導(dǎo)電率聚合物疊層，從而將熱量從人體皮膚傳遞到導(dǎo)電率聚合物疊層，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的皮膚冷卻[圖 2B，(2)]。

2.在升溫模式下，通過改變上述四個(gè)步驟的順序，將熱量向相反方向傳遞，從而實(shí)現(xiàn)升溫，而這只需調(diào)整方波電壓的相位即可實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，升溫模式的步驟與降溫模式相似，但熱傳導(dǎo)效果相反：(i) 靜電驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電率聚合物疊層朝向需要升溫的人體皮膚底部；(ii) 通過在導(dǎo)電率聚合物疊層上施加電場來加熱導(dǎo)電率聚合物疊層，從而使熱量從導(dǎo)電率聚合物疊層傳導(dǎo)到人體皮膚（作為散熱器）[圖 2B，(3)]；(iii) 靜電驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電率聚合物疊層朝向頂部的柔性傳熱層（作為熱源）；(iv) 通過消除電場冷卻導(dǎo)電率聚合物疊層，從而將熱量從柔性傳熱層傳遞到導(dǎo)電率聚合物疊層，完成一個(gè)周期的皮膚加熱[圖 2B，(4)]。有了這兩種工作模式，就可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)降溫和升溫的雙向可控溫度調(diào)節(jié)。

圖3 OETC 的可穿戴式體溫調(diào)節(jié)性能

要點(diǎn)：

1.為了證明 OETC 的可穿戴性，以滿足人體體溫調(diào)節(jié)的柔性需求，本研究測量了 OETC 在彎曲狀態(tài)下制冷和升溫模式性能的穩(wěn)定性（圖 3A）。在彎曲測量過程中，系統(tǒng)底部由 100 mW/cm2 的光源照射，頂部由紅外攝像機(jī)測量表面溫度。當(dāng) OETC 以 0.75 Hz 的頻率開始運(yùn)行 10 秒鐘時(shí)，其溫度調(diào)節(jié)性能達(dá)到最大且穩(wěn)定。OETC 的初始狀態(tài)為平面，曲率半徑（k）為 0 m-1。然后，OETC 系統(tǒng)以 0.12 m-1 s-1 的勻速彎曲，達(dá)到 3.6 m-1 的最大曲率，隨后以相同的速度釋放彎曲，直到OETC 的曲率恢復(fù)到 0 m-1。在操作過程中，本研究觀察到 OETC 在平坦、彎曲和釋放狀態(tài)下的體溫調(diào)節(jié)性能變化微乎其微，這表明其具有出色的適用性。

2.本研究進(jìn)一步將柔性 OETC 應(yīng)用于人體皮膚的體溫調(diào)節(jié)。本研究展示了在人體皮膚上進(jìn)行柔性 OETC 熱測量的實(shí)驗(yàn)裝置（圖 3B）和在 OETC 冷卻模式下對(duì)人手進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)的過程（圖 3C）。在環(huán)境溫度為 26℃ 時(shí)，照明強(qiáng)度為 100 mW/cm2，本研究使用紅外攝像探測器對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行了監(jiān)測。本研究的 OETC 以平均每分鐘 6.1℃ 的速度將人體皮膚從 36.8℃ 冷卻到 31.7℃，實(shí)現(xiàn)了快速體溫調(diào)節(jié)（圖 3C）。

圖4 OETC 與棉衣相比的體溫調(diào)節(jié)性能以及個(gè)人太空行走的前景

要點(diǎn)：

1.本研究分別測量并比較了裸露人造皮膚、覆蓋棉衣的皮膚和覆蓋 OETC 的皮膚（圖 4A）在環(huán)境溫度為 26.0℃ 時(shí)100 mW/cm2 的陽光下和環(huán)境溫度為 0℃ 時(shí)黑暗中的溫度變化。在 26.0℃ 的環(huán)境溫度下，在標(biāo)準(zhǔn) AM 1.5G （100 mW/cm2）的光照強(qiáng)度下，裸露皮膚和覆蓋棉衣的皮膚的溫度可分別從34.0℃ 升至 50.9°和 48.4℃。然而，覆蓋有 OETC 的人造皮膚的溫度僅為 40.8℃。最大冷卻能力達(dá)到 10.1 K（在 26.0℃ 的環(huán)境溫度下，在 100 mW/cm2 的照明強(qiáng)度下暴露 570 秒后，裸露的人造皮膚與覆蓋有 OETC 的人造皮膚在冷卻模式下的溫差計(jì)算得出），這表明了 OETC 的冷卻能力。

2.此外，在環(huán)境溫度為 0℃ 的寒冷夜晚，還可以通過使用 ESS 驅(qū)動(dòng) OETC 為皮膚加溫。與人造皮膚相比，覆蓋有 OETC 的人造皮膚的升溫性能比覆蓋有棉服的皮膚和裸露的皮膚高出 3.2 K（按裸露的人造皮膚與覆蓋有 OETC 的人造皮膚在升溫模式下暴露于 0℃ 環(huán)境溫度 570 秒后的溫差計(jì)算），這表明 OETC 具有出色的升溫能力。

3.這種利用太陽能的雙向溫度調(diào)節(jié)裝置可以集成到常規(guī)宇航服中，以幫助減少總體電力需求（圖 4B）。在個(gè)人太空行走期間，宇航服的理論面積約為 1.85 平方米。在太空中，太陽輻射壓力的大小取決于地球表面附近的太陽通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太陽常數(shù)來計(jì)算 1 天文單位的太陽通量。隨著太陽能電池性能（包括柔性 OPV 模塊的性能）的不斷提高，如果假定使用 45% PCE 的太陽能電池裝置，本研究估計(jì)全天候提供人體體溫調(diào)節(jié)的 OPV 模塊的面積僅為 1.12 平方米。

3.本研究相信，這種 OETC 系統(tǒng)在性能和實(shí)用性方面都可以在未來進(jìn)行優(yōu)化，以便在更惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。為了提高本研究的 OETC 系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)性能，可以增加 EC 設(shè)備的溫度跨度。首先，在材料方面，雙鍵改性的 P（VDF-TrFE-CFE）材料可以在 118 MV/m 的條件下提供更大的溫度變化，達(dá)到 7.8 K。其次，可以使用級(jí)聯(lián)裝置來優(yōu)化設(shè)備，將溫度跨度提高到 4.8 K（雙層）和 8.7 K（四層級(jí)聯(lián)）。最后，通過添加納米填料來改善 P（VDF-TrFE-CFE）的導(dǎo)熱性，或通過使用活性導(dǎo)電率再生器來進(jìn)一步提高溫度梯度，導(dǎo)電率性能可得到進(jìn)一步改善。顯然，要在本研究中展示的原型和概念基礎(chǔ)上開發(fā)出實(shí)用的產(chǎn)品，還需要進(jìn)一步的研究。

標(biāo)簽： 熱管理 點(diǎn)擊： 評(píng)論: