人體必須保持在一定的溫度范圍內(nèi)，才能保持舒適和安全。然而，對(duì)于惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景，如全晝夜循環(huán)、寒冷的極地地區(qū)和太空旅行，設(shè)計(jì)溫度調(diào)控服裝存在挑戰(zhàn)。
在此，南開大學(xué)陳永勝教授、劉永勝教授和馬儒軍教授等人通過(guò)集成柔性有機(jī)光伏 （OPV） 模塊直接從陽(yáng)光和雙向電卡（EC）設(shè)備獲取能量，開發(fā)了一種柔性且可持續(xù)的個(gè)人體溫調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)。柔性O(shè)PV-EC體溫調(diào)節(jié)服 （OETC） 可以將人體熱舒適區(qū)從 22°–28°C 擴(kuò)展到 12.5°–37.6°C，并具有快速的體溫調(diào)節(jié)速率。EC器件的低能耗和高效率允許24小時(shí)可控雙模式溫度調(diào)節(jié)，并具有12小時(shí)的太陽(yáng)光能量輸入。該自供電可穿戴體溫調(diào)節(jié)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)緊湊，效率高，以太陽(yáng)光為唯一能源，自適應(yīng)性強(qiáng)。
相關(guān)文章以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”為題發(fā)表在Science上。
服裝在調(diào)節(jié)體溫方面起著不可或缺的作用，以保持人們身體在日常生活中的熱舒適性。最常見的情況之一是在環(huán)境溫度波動(dòng)且有時(shí)快速變化的情況下將體溫保持在安全范圍內(nèi)，例如，從舒適的室內(nèi)環(huán)境（~25°C）走到炎熱（>36°C）或寒冷（<15°C）的室外環(huán)境。如果沒(méi)有能力快速適應(yīng)這種快速變化的環(huán)境溫度并降溫或升溫，人們可能會(huì)變得不舒服或生病，甚至可能死亡。更具挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景是在惡劣的環(huán)境中將身體保持在舒適的溫度范圍（皮膚溫度），例如寒冷的極地地區(qū)或太空旅行（在陽(yáng)光下非常熱，但在黑暗中非常冷）。因此，能夠像宇航服一樣將人體保持在舒適溫度范圍（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(zhǎng)期尋求但具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。
事實(shí)上，已經(jīng)開發(fā)了許多體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大致可分為被動(dòng)和主動(dòng)系統(tǒng)。被動(dòng)體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括輻射體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、相變體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和吸附體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。?然而，大多數(shù)由具有自可持續(xù)性的太陽(yáng)能供電的系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單向溫度調(diào)節(jié)。具有雙向溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)需要提高其效率、響應(yīng)速度和可調(diào)溫度范圍（皮膚溫度）。
主動(dòng)體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)允許人體快速冷卻或加熱。一般來(lái)說(shuō)，基于冷卻液循環(huán)或水/冰流體通道的冷卻背心，可實(shí)現(xiàn)可穿戴的體溫調(diào)節(jié)；然而，這些系統(tǒng)需要大型而復(fù)雜的機(jī)械壓縮機(jī)。?盡管已經(jīng)開發(fā)出一些出色的固態(tài)主動(dòng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且可以消除對(duì)壓縮機(jī)和傳統(tǒng)液體或蒸汽制冷劑的需求，但它們?nèi)匀淮嬖谝恍?shí)質(zhì)性的局限性。盡管基于電池的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的熱管理性能，但其有限的能量供應(yīng)無(wú)法為人體提供全天和持續(xù)的溫度調(diào)節(jié)。
因此，開發(fā)一種能夠快速響應(yīng)各種復(fù)雜或快速的環(huán)境溫度變化并將人體保持在舒適溫度區(qū)的全天、自供電、雙向體溫調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。
為了實(shí)現(xiàn)所需的可持續(xù)性和柔性以及重量輕，身體的熱管理單元必須能夠高效地傳遞能量并具有低能耗。作者選擇了最近開發(fā)的電卡（EC）器件，這些器件具有高效率、低能耗和雙向溫度調(diào)節(jié)特性，并且無(wú)污染。
同時(shí)，選擇由太陽(yáng)光供電的柔性O(shè)PV模塊和高效傳熱EC裝置作為兩個(gè)主要單元，以制造自給自足的體溫調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)，目標(biāo)是僅通過(guò)太陽(yáng)能為其供電，并能夠在熱/光和冷/暗環(huán)境之間全天（24小時(shí)）循環(huán)，柔性的OPV-EC溫度調(diào)節(jié)服（OETC）系統(tǒng)根據(jù)需要在冷卻和加熱模式下都表現(xiàn)出高效和快速的性能。此外，它還可以將熱舒適區(qū)延長(zhǎng)19.1K（從6.0K到25.1K），并根據(jù)需要達(dá)到人體智能可控的全天雙模式體溫調(diào)節(jié)。通過(guò)這些功能的結(jié)合，佩戴OETC系統(tǒng)的人體可以根據(jù)需要快速適應(yīng)戶外活動(dòng)期間的環(huán)境溫度變化，甚至可能在極地地區(qū)或個(gè)人太空旅行等惡劣環(huán)境中適應(yīng)。
圖1. 工作模式時(shí)，佩戴柔性O(shè)ETC，在熱（陽(yáng)光）和冷（黑暗）環(huán)境之間的循環(huán)中實(shí)現(xiàn)個(gè)人的熱舒適
本文制作了一個(gè)大型柔性O(shè)PV模塊，厚度僅180毫米，用于OETC系統(tǒng)中的陽(yáng)光收集單元。在標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量為1.5全球（AM 1.5G，100 mW/cm2）下，有效面積為25.2 cm2的整個(gè)柔性O(shè)PV模塊可提供5.75 V的總電壓，PCE為11.85%。對(duì)于OETC中的溫度調(diào)節(jié)單元，作者選擇了聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]，主要源于其熵變大，接近室溫的絕熱溫度變化大，具有良好的機(jī)械柔韌性?；赱P(VDF-TrFE-CFE)]的EC系統(tǒng)在有效的溫度調(diào)節(jié)方面具有巨大的潛力。值得注意的是，柔性EC器件表現(xiàn)出與剛性器件相同的熱管理性能。
圖2.?柔性O(shè)ETC系統(tǒng)的性能
OETC系統(tǒng)在制冷/升溫模式下的工作機(jī)理
本文展示了由一個(gè)OPV模塊和兩個(gè)EC單元組裝的柔性O(shè)ETC溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的照片（圖 2A），這種緊湊的組裝模式可以根據(jù)需要為人體提供有效的冷卻/加熱，OETC系統(tǒng)在冷卻模式下的工作機(jī)制（圖2B）與電源供電的工作機(jī)制相同。冷卻模式包括以下步驟：（i）EC聚合物堆向頂部柔性傳熱層（作為具有大熱容量的散熱器）靜電驅(qū)動(dòng)；（ii）通過(guò)在EC聚合物堆上施加電場(chǎng)來(lái)加熱EC聚合物堆，從而將熱量從EC聚合物堆傳遞到柔性傳熱層（圖2B）；（iii）EC聚合物堆棧朝向人體底部皮膚的靜電驅(qū)動(dòng)（作為熱源）；（iv）通過(guò)消除電場(chǎng)使EC聚合物堆棧冷卻，從而將熱量從人體皮膚傳遞到EC聚合物堆棧，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)的皮膚冷卻。
對(duì)于升溫模式，升溫是通過(guò)改變上述四個(gè)步驟的順序?qū)鳠岣淖兊较喾捶较?，?jiǎn)單地調(diào)整方波電壓的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相應(yīng)地，加熱模式與冷卻模式具有相似的步驟，但具有相反的傳熱效果：（i）EC聚合物堆棧的靜電驅(qū)動(dòng)，朝向需要加熱的底部人體皮膚；（ii）通過(guò)在EC聚合物堆上施加電場(chǎng)來(lái)加熱EC聚合物堆，從而將熱量從EC聚合物堆疊傳遞到人體皮膚（作為散熱器）；（iii）EC聚合物堆向頂部柔性傳熱層（作為熱源）的靜電驅(qū)動(dòng)；（iv）EC聚合物堆棧通過(guò)消除電場(chǎng)而冷卻，從而從柔性傳熱層傳遞到EC聚合物堆棧，以完成一個(gè)皮膚加熱循環(huán)。通過(guò)這兩種工作模式，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)雙向可控的冷卻和加熱溫度調(diào)節(jié)。
圖3.?OETC的可穿戴式溫度調(diào)節(jié)性能
圖4.?OETC與棉質(zhì)服裝的調(diào)溫性能及個(gè)人太空旅行的前景
綜上所述，本文開發(fā)了一種先進(jìn)的自供電可穿戴體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將柔性O(shè)PV模塊和EC 體溫調(diào)節(jié)單元集成在一起，以實(shí)現(xiàn)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)行快速降溫/升溫雙模式溫度調(diào)節(jié)。此外，通過(guò)OETC可以快速調(diào)溫，將熱舒適區(qū)從6.0K擴(kuò)展到25.1K，可以保證人體在各種復(fù)雜不穩(wěn)定環(huán)境中的安全和舒適。得益于EC器件的低能耗，OETC可以實(shí)現(xiàn)可控的全天雙模溫度調(diào)節(jié)。結(jié)合其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、效率高、自適應(yīng)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)，相信通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，OETC可以在高端溫度調(diào)節(jié)領(lǐng)域展現(xiàn)潛在的應(yīng)用，甚至可以擴(kuò)展人類在極地、個(gè)體太空行走等惡劣環(huán)境下的生存能力。
Ziyuan Wang?, Yiwen Bo?, Peijia Bai, Shuchao Zhang, Guanghui Li, Xiangjian Wan, Yongsheng Liu*, Rujun Ma*, Yongsheng Chen*, Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight, Science?(2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654
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