人體必須保持在一定的溫度范圍內，才能保持舒適和安全。然而，對于惡劣的應用場景，如全晝夜循環(huán)、寒冷的極地地區(qū)和太空旅行，設計溫度調控服裝存在挑戰(zhàn)。
在此，南開大學陳永勝教授、劉永勝教授和馬儒軍教授等人通過集成柔性有機光伏 （OPV） 模塊直接從陽光和雙向電卡（EC）設備獲取能量，開發(fā)了一種柔性且可持續(xù)的個人體溫調節(jié)服裝系統。柔性OPV-EC體溫調節(jié)服 （OETC） 可以將人體熱舒適區(qū)從 22°–28°C 擴展到 12.5°–37.6°C，并具有快速的體溫調節(jié)速率。EC器件的低能耗和高效率允許24小時可控雙模式溫度調節(jié)，并具有12小時的太陽光能量輸入。該自供電可穿戴體溫調節(jié)平臺結構簡單，設計緊湊，效率高，以太陽光為唯一能源，自適應性強。
相關文章以“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)境溫度波動且有時快速變化的情況下將體溫保持在安全范圍內，例如，從舒適的室內環(huán)境（~25°C）走到炎熱（>36°C）或寒冷（<15°C）的室外環(huán)境。如果沒有能力快速適應這種快速變化的環(huán)境溫度并降溫或升溫，人們可能會變得不舒服或生病，甚至可能死亡。更具挑戰(zhàn)性的場景是在惡劣的環(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）的可穿戴體溫調節(jié)服裝一直是智能服裝系統長期尋求但具有挑戰(zhàn)性的目標。
事實上，已經開發(fā)了許多體溫調節(jié)系統，這些系統大致可分為被動和主動系統。被動體溫調節(jié)系統包括輻射體溫調節(jié)系統、相變體溫調節(jié)系統和吸附體溫調節(jié)系統。?然而，大多數由具有自可持續(xù)性的太陽能供電的系統只能實現單向溫度調節(jié)。具有雙向溫度調節(jié)的系統需要提高其效率、響應速度和可調溫度范圍（皮膚溫度）。
主動體溫調節(jié)系統允許人體快速冷卻或加熱。一般來說，基于冷卻液循環(huán)或水/冰流體通道的冷卻背心，可實現可穿戴的體溫調節(jié)；然而，這些系統需要大型而復雜的機械壓縮機。?盡管已經開發(fā)出一些出色的固態(tài)主動溫度調節(jié)系統，并且可以消除對壓縮機和傳統液體或蒸汽制冷劑的需求，但它們仍然存在一些實質性的局限性。盡管基于電池的溫度調節(jié)系統可以在短時間內實現良好的熱管理性能，但其有限的能量供應無法為人體提供全天和持續(xù)的溫度調節(jié)。
因此，開發(fā)一種能夠快速響應各種復雜或快速的環(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、雙向體溫調節(jié)服裝系統仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的目標。
為了實現所需的可持續(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節(jié)特性，并且無污染。
同時，選擇由太陽光供電的柔性OPV模塊和高效傳熱EC裝置作為兩個主要單元，以制造自給自足的體溫調節(jié)服裝系統，目標是僅通過太陽能為其供電，并能夠在熱/光和冷/暗環(huán)境之間全天（24小時）循環(huán)，柔性的OPV-EC溫度調節(jié)服（OETC）系統根據需要在冷卻和加熱模式下都表現出高效和快速的性能。此外，它還可以將熱舒適區(qū)延長19.1K（從6.0K到25.1K），并根據需要達到人體智能可控的全天雙模式體溫調節(jié)。通過這些功能的結合，佩戴OETC系統的人體可以根據需要快速適應戶外活動期間的環(huán)境溫度變化，甚至可能在極地地區(qū)或個人太空旅行等惡劣環(huán)境中適應。
圖1. 工作模式時，佩戴柔性OETC，在熱（陽光）和冷（黑暗）環(huán)境之間的循環(huán)中實現個人的熱舒適
本文制作了一個大型柔性OPV模塊，厚度僅180毫米，用于OETC系統中的陽光收集單元。在標準空氣質量為1.5全球（AM 1.5G，100 mW/cm2）下，有效面積為25.2 cm2的整個柔性OPV模塊可提供5.75 V的總電壓，PCE為11.85%。對于OETC中的溫度調節(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，具有良好的機械柔韌性?；赱P(VDF-TrFE-CFE)]的EC系統在有效的溫度調節(jié)方面具有巨大的潛力。值得注意的是，柔性EC器件表現出與剛性器件相同的熱管理性能。
本文展示了由一個OPV模塊和兩個EC單元組裝的柔性OETC溫度調節(jié)系統的照片（圖 2A），這種緊湊的組裝模式可以根據需要為人體提供有效的冷卻/加熱，OETC系統在冷卻模式下的工作機制（圖2B）與電源供電的工作機制相同。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）靜電驅動；（ii）通過在EC聚合物堆上施加電場來加熱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動（作為熱源）；（iv）通過消除電場使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，以實現一個循環(huán)的皮膚冷卻。
對于升溫模式，升溫是通過改變上述四個步驟的順序將傳熱改變到相反方向，簡單地調整方波電壓的相位來實現的。相應地，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動，朝向需要加熱的底部人體皮膚；（ii）通過在EC聚合物堆上施加電場來加熱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）的靜電驅動；（iv）EC聚合物堆棧通過消除電場而冷卻，從而從柔性傳熱層傳遞到EC聚合物堆棧，以完成一個皮膚加熱循環(huán)。通過這兩種工作模式，可以根據需要實現雙向可控的冷卻和加熱溫度調節(jié)。
圖4.?OETC與棉質服裝的調溫性能及個人太空旅行的前景
綜上所述，本文開發(fā)了一種先進的自供電可穿戴體溫調節(jié)系統，將柔性OPV模塊和EC 體溫調節(jié)單元集成在一起，以實現高效的個性化體溫調節(jié)。其主動控制功能可根據人體需要進行快速降溫/升溫雙模式溫度調節(jié)。此外，通過OETC可以快速調溫，將熱舒適區(qū)從6.0K擴展到25.1K，可以保證人體在各種復雜不穩(wěn)定環(huán)境中的安全和舒適。得益于EC器件的低能耗，OETC可以實現可控的全天雙模溫度調節(jié)。結合其結構簡單緊湊、效率高、自適應性強等突出特點，相信通過進一步優(yōu)化，OETC可以在高端溫度調節(jié)領域展現潛在的應用，甚至可以擴展人類在極地、個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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