南开大学最新Science

为了舒适和安全，人体必须保持在一定的温度范围内。然而，温度调节服的挑战存在于恶劣的应用场景，如全昼夜循环，寒冷的极地地区和太空旅行。

2023年12月15日，南开大学刘永胜、马儒军及陈永胜共同通讯在Science在线发表题为“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”的研究论文，该研究集成柔性有机光伏(OPV)模块直接从阳光和双向电热(EC)设备中获取能量，开发了一种灵活且可持续的个人体温调节服装系统。

柔性OPV-EC热调节服(OETC)可将人体热舒适区从22°C-28°C扩展到12.5°C-37.6°C，温度调节速率快。EC装置的低能耗和高效率允许24小时可控和双模式温度调节，12小时的阳光能量输入。该自供电可穿戴式体温调节平台结构简单、设计紧凑、效率高、自适应性强，以太阳光为唯一能源。

在日常生活中，衣物在调节体温、保持身体热舒适方面发挥着不可或缺的作用。最常见的一种情况是，在环境温度波动和有时快速变化的情况下，将体温保持在安全范围内，例如，从舒适的室内环境(~25°C)步行到炎热(>36°C)或寒冷(<15°C)的室外环境。如果没有快速适应这种快速变化的环境温度和降温或升温的能力，人们可能会感到不舒服或生病，甚至可能死亡。更具挑战性的场景是在恶劣的环境中保持身体在一个舒适的温度范围内(皮肤温度)，比如寒冷的极地地区或太空旅行(在阳光下非常热，但在黑暗中非常冷)。因此，能够像宇航服一样将人体保持在舒适的温度范围(皮肤温度)的可穿戴体温调节服装一直是智能服装系统长期追求但具有挑战性的目标。

事实上，许多热调节系统已经被开发出来，它们可以大致分为被动和主动系统。被动式热调节系统包括辐射式热调节系统、相变式热调节系统和吸附式热调节系统。然而，大多数具有自我可持续性的太阳能供电系统只能实现单向温度调节。具有双向温度调节的系统需要提高效率、响应速度和可调温度范围(皮肤温度)。

穿着OETC时可以根据需要在热（阳光下）和冷（黑暗中）环境之间循环实现个人热舒适（图源自Science ）

主动温度调节系统允许人体快速降温或升温。一般来说，冷却背心是基于冷却剂循环或水/冰流体通道，允许可穿戴的温度调节；然而，这些系统需要大型和复杂的机械压缩机。尽管已经开发出一些优秀的固态主动温度调节系统，并且可以消除对压缩机和传统液体或蒸汽制冷剂的需求，但它们仍然存在一些实质性的局限性。例如，虽然焦耳效应加热器在控制温度下加热是有效的，但高功耗和缺乏冷却能力强烈限制了它的应用。基于磁热效应和弹性热效应的热调节系统分别需要大磁场和高机械负荷才能实现良好的热管理效果，因此耐磨性有限。基于珀尔帖效应的热电(TE)温度调节装置已经找到了各种应用。然而，这些设备通常表现出低效率，因为他们的高能耗。特别是，它们都需要额外的能量输入，没有额外的能量是无法长时间保持工作的。尽管基于电池的热调节系统可以在短时间内实现良好的热管理性能，但其有限的能量供应无法为人体提供全天、持续的热调节。

该研究开发了一种先进的自供电可穿戴式体温调节系统，将灵活的OPV模块和EC体温调节单元集成在一起，实现高效的个性化体温调节。主动控制功能，可根据人体需要进行快速冷/暖双模温度调节。此外，通过OETC可将热舒适区从6.0扩展到25.1 K，具有快速的温度调节功能，可确保人体在各种复杂不稳定环境下的安全舒适。得益于EC装置的低能耗，OETC可以实现可控的全天双模温度调节。因此，OETC在高端体温调节领域具有极大的应用潜力，甚至扩展人类在极地和个人太空行走等恶劣环境中的生存能力。

原文链接：

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

转自：“iNature”微信公众号

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