“太陽(yáng)神衣”來(lái)了！我國(guó)高校研發(fā)24小時(shí)恒溫智能衣物，簡(jiǎn)直太炫酷

這個(gè)冬天，太冷了。12 月 16 日，中央氣象臺(tái)發(fā)布了低溫黃色預(yù)警，這是今年首個(gè)低溫預(yù)警。未來(lái)一周，我國(guó)大部地區(qū)的氣溫將持續(xù)偏低。

在這樣的溫度下，好像無(wú)論穿再多的衣服，都抵御不了這嚴(yán)寒的天氣。或許，來(lái)自南開(kāi)大學(xué)的可穿戴熱調(diào)節(jié)服能幫我們“添衣取暖”。

近日，南開(kāi)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可以全天太陽(yáng)能供電的雙向溫度調(diào)節(jié)服裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)快速熱調(diào)節(jié)可以將熱舒適區(qū)從 22°C 至 28°C 擴(kuò)展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的體溫調(diào)節(jié)速率，從而確保在各種復(fù)雜和不穩(wěn)定環(huán)境中人體的安全和舒適。

此外，由于該設(shè)備由太陽(yáng)能自供電，因此不需要額外的電源。

相關(guān)研究論文以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”為題，已發(fā)表到 Science 上。

一篇同時(shí)發(fā)布的相關(guān)觀點(diǎn)文章寫(xiě)道：“Wang 等人的綜合設(shè)備為主動(dòng)控制、自供電和可穿戴的局部熱管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了廣闊的前景，同時(shí)為擴(kuò)展人類(lèi)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性提供了多種可能性。這一創(chuàng)新展示了一個(gè)未來(lái)的愿景，即全天候無(wú)需擔(dān)憂(yōu)能源供應(yīng)限制的熱管理系統(tǒng)，甚至在特殊條件下，額外收集的能量還可用于為電子設(shè)備提供電力?！?/p>

降溫、保暖，樣樣精通

服裝在維持身體熱量平衡、保持身體熱舒適度方面至關(guān)重要。從舒適的室內(nèi)環(huán)境走出，進(jìn)入酷熱或寒冷的戶(hù)外環(huán)境，若不能快速適應(yīng)可能導(dǎo)致不適或者生??；在惡劣環(huán)境中，如在寒冷的極地區(qū)域或太空旅行中，則更具挑戰(zhàn)性。因此，可穿戴熱調(diào)節(jié)服裝一直是智能服裝系統(tǒng)中追求已久但又充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的目標(biāo)。

目前，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要分為被動(dòng)系統(tǒng)和主動(dòng)系統(tǒng)。然而，在被動(dòng)系統(tǒng)中，大多數(shù)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單向熱調(diào)節(jié)，且雙向熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要提高效率、響應(yīng)速度和可調(diào)溫度范圍；而主動(dòng)系統(tǒng)則具有機(jī)械復(fù)雜性、能耗高和低效率等缺點(diǎn)。

因此，為了實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)服裝的可持續(xù)性、靈活性和輕量化，研究人員將有機(jī)光伏單元和電熱效應(yīng)單元結(jié)合成一個(gè)具有所需柔性的單一設(shè)備，成功設(shè)計(jì)并制造了可穿戴的熱管理系統(tǒng)（OETC）。

該研究選擇了最近開(kāi)發(fā)的電熱效應(yīng)（EC）裝置，這些裝置高效、低能耗，具有雙向熱調(diào)節(jié)性能，并且無(wú)污染。例如，柔性的電熱效應(yīng)熱調(diào)節(jié)裝置具有非常低的能量成本，能夠達(dá)到 13 的性能系數(shù)，并具有每克 2.8 瓦的特定制冷功率。

此外，OETC 實(shí)現(xiàn)了雙向熱管理，在炎熱的天氣中可以為皮膚提供 10.1°C 的降溫，同時(shí)通過(guò)有機(jī)光伏單元收集的額外能量，在黑暗或夜晚使人體比裸露的皮膚溫暖 3.2°C。另外，在最初的 5 秒內(nèi)，皮膚最大加熱速率可達(dá) 15.6°C/分鐘，最大冷卻速率可達(dá) 14.0°C/分鐘，實(shí)現(xiàn)了快速的熱調(diào)節(jié)。

圖｜穿著靈活的 OETC 時(shí)的工作模式，根據(jù)需要在熱（陽(yáng)光下）和冷（黑暗中）環(huán)境之間循環(huán)實(shí)現(xiàn)個(gè)人熱舒適（來(lái)源：該論文）

即使環(huán)境溫度在 12.5°C 到 37.6°C 之間變化，OETC 仍將人體皮膚溫度維持在 32.0°C 到 36.0°C 的熱舒適區(qū)域。

受益于 EC 設(shè)備的低能耗，OETC 系統(tǒng)可以在陽(yáng)光能源輸入 12 小時(shí)的情況下全天候運(yùn)行。因此，該系統(tǒng)具有可控、全天候的雙模式和顯著的熱調(diào)節(jié)性能等綜合特性，使個(gè)體在惡劣環(huán)境中僅使用陽(yáng)光作為能源也能更加舒適。

此外，該系統(tǒng)還成功地貼合人體皮膚。通過(guò)與人體協(xié)調(diào)的彎曲狀態(tài)測(cè)試，研究證明了其在不同姿勢(shì)下的穩(wěn)定性。研究人員在不同彎曲狀態(tài)下觀察了 OETC 的熱調(diào)節(jié)性能，結(jié)果表明在 0.75 Hz 的頻率下運(yùn)行 10 秒時(shí)，OETC 達(dá)到最大且穩(wěn)定的熱調(diào)節(jié)性能。這種靈活性使得 OETC 在可穿戴設(shè)備中具備優(yōu)越的適應(yīng)性，能夠與人體的運(yùn)動(dòng)和變化的姿勢(shì)相協(xié)調(diào)，確保在各種情境下都能提供有效的熱調(diào)節(jié)。

圖｜OETC 的可穿戴熱調(diào)節(jié)性能（來(lái)源：該論文）

在惡劣環(huán)境中增加人類(lèi)的生存能力

這一利用太陽(yáng)能的雙向熱調(diào)節(jié)功能使得該設(shè)備更具吸引力，尤其是在集成到傳統(tǒng)宇航服中以幫助降低總體功耗方面。

在個(gè)體太空旅行期間，宇航服的理論面積約為 1.85 平方米。在太空中，太陽(yáng)輻射壓力的大小取決于地球表面附近的太陽(yáng)輻射通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太陽(yáng)常數(shù)來(lái)計(jì)算 1 天文單位內(nèi)的太陽(yáng)輻射通量。

圖｜OETC 與棉質(zhì)服裝的體溫調(diào)節(jié)性能及個(gè)人太空旅行的前景（來(lái)源：該論文）

隨著太陽(yáng)能電池性能的持續(xù)提高，如果假設(shè)使用 45% 的光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池裝置，為提供全天人體熱調(diào)節(jié)所需的太陽(yáng)能電池模塊估計(jì)只需 1.12 平方米的面積。

正如評(píng)論文章所說(shuō)：“憑借其出色的熱管理性能、方向輕松切換的能力以及為實(shí)現(xiàn)最佳溫度控制而調(diào)整熱管理溫度范圍的能力，Wang 等人展示了一種使人體能夠適應(yīng)環(huán)境溫度變化的服裝。”

借助 EC 設(shè)備低能耗的優(yōu)勢(shì)，OETC 可以實(shí)現(xiàn)可控和全天候的雙模式熱調(diào)節(jié)。加上其他優(yōu)秀特性，如簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)、高效率和強(qiáng)大的自適應(yīng)性。

通過(guò)更多的優(yōu)化，研究人員表示，OETC 在高端熱調(diào)節(jié)領(lǐng)域可能展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用，并且甚至能夠在極地地區(qū)和個(gè)體太空行走等惡劣環(huán)境中增加人類(lèi)的生存能力。

然而，值得注意的是，這個(gè)系統(tǒng)在性能和實(shí)用性方面仍然需要進(jìn)行優(yōu)化，包括系統(tǒng)的溫度跨度和材料的導(dǎo)熱性。

評(píng)論文章指出：“Wang 等人的設(shè)備可以通過(guò)增加材料的熵變來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)，而材料的導(dǎo)熱性可以通過(guò)添加無(wú)機(jī)填料來(lái)提高。此外，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)級(jí)聯(lián)設(shè)備，在其中多個(gè)電熱效應(yīng)設(shè)備協(xié)同運(yùn)作，可以?xún)?yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的熱管理性能，增加整個(gè)系統(tǒng)的溫度跨度?！?/p>

參考鏈接：

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

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5650