人體為了保持舒適和安全，必須在一定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。體溫調(diào)節(jié)服裝在維持體溫和舒適度方面起著至關(guān)重要的作用。這些服裝主要分為兩類：被動式和主動式。被動式體溫調(diào)節(jié)服裝包括輻射冷卻、相變和吸附系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要外部能量輸入。主動型體溫調(diào)節(jié)服裝則更有利于人體按需快速降溫或升溫。

　　然而，在晝夜循環(huán)、極地嚴(yán)寒和太空旅行等嚴(yán)酷的應(yīng)用場景中，體溫調(diào)節(jié)服裝面臨著挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，南開大學(xué)的陳永勝教授、馬儒軍教授、劉永勝教授聯(lián)合開發(fā)了一種靈活且可持續(xù)的個人體溫調(diào)節(jié)服系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)集成了可直接從太陽光中獲取能量的柔性有機(jī)光伏(OPV)模塊和雙向電致發(fā)光(EC)裝置。柔性O(shè)PV-EC體溫調(diào)節(jié)服(OETC)可將人體熱舒適區(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設(shè)備能耗低、效率高，只需12小時的陽光能量輸入，即可實(shí)現(xiàn)24小時的可控雙模式體溫調(diào)節(jié)。

　　這種自供電的可穿戴體溫調(diào)節(jié)平臺結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計緊湊、效率高、自適應(yīng)能力強(qiáng)，以太陽光為唯一能源。它是可穿戴技術(shù)的創(chuàng)新方法，為應(yīng)對溫度變化帶來的挑戰(zhàn)提供了可持續(xù)且響應(yīng)迅速的解決方案。相關(guān)研究成果以題為“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”發(fā)表在最新一期《Science》上。

　　作者為OETC系統(tǒng)中的陽光能量收集單元制造了厚度僅為180μm的大型柔性O(shè)PV模塊。OETC的溫度調(diào)節(jié)單元，作者選擇聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)[P(VDF-TrFE-CFE)]，主要是因?yàn)樗撵刈兇螅咏覝貢r絕熱溫變大，機(jī)械柔性好。在陽光下，OPV組件高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，直接驅(qū)動EC裝置，提供制冷效果(圖1)。在黑暗中，該OETC系統(tǒng)可以利用ESS提供的儲存能量在環(huán)境寒冷時維持體溫，從而實(shí)現(xiàn)全天(白天/夜間)運(yùn)行。制冷模式和制熱模式可隨時切換，實(shí)現(xiàn)個性化熱舒適。

　　【OETC系統(tǒng)制冷/制熱模式工作原理、在不同工作場景下的溫度跨度】

　　本文展示了由一個OPV模塊和兩個EC單元組裝而成的靈活OETC溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的照片(圖2A)。這種緊湊的組裝方式可以根據(jù)需要為人體提供有效的制冷/加溫。OETC系統(tǒng)的冷卻模式(圖2B)的工作機(jī)制與電源供電相同，但在OETC系統(tǒng)中可以直接通過OPV模塊產(chǎn)生的電力為其供電(見圖2B)。冷卻模式包括以下步驟：(i)靜電驅(qū)動EC聚合物堆疊朝向頂部柔性傳熱層(作為具有大熱容量的散熱器;(ii)通過在EC聚合物疊層上施加電場來加熱EC聚合物疊層，從而將熱量從EC聚合物疊層傳遞到柔性傳熱層[圖2B，(1)];(iii)EC聚合物疊層靜電驅(qū)動至人體皮膚底部(作為熱源);(iv)通過去除電場來冷卻EC聚合物堆疊，從而將熱量從人體皮膚傳遞到EC聚合物堆疊，實(shí)現(xiàn)皮膚冷卻的一個循環(huán)[圖2B，(2)]。對于升溫模式，通過改變上述四個步驟的順序，將熱量傳遞向相反方向來實(shí)現(xiàn)升溫，只需調(diào)整方波電壓的相位即可實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，加溫模式與制冷模式具有類似的步驟，但具有相反的傳熱效果：(i)EC聚合物堆疊靜電驅(qū)動至需要加溫的底部人體皮膚;(ii)通過在EC聚合物堆疊上施加電場來加熱EC聚合物堆疊，從而將熱量從EC聚合物堆疊傳遞到人體皮膚(作為散熱器)[圖2B，(3)];(iii)EC聚合物疊層靜電驅(qū)動至頂部柔性傳熱層(作為熱源);(iv)通過去除電場來冷卻EC聚合物堆疊，從而將熱量從柔性傳熱層傳遞到EC聚合物堆疊，以完成一個皮膚加溫循環(huán)[圖2B，(4)]。通過這兩種工作模式，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)制冷和升溫的雙向可控溫度調(diào)節(jié)。OETC系統(tǒng)在不同光照強(qiáng)度下均表現(xiàn)良好，當(dāng)光照強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G太陽光(100mW/cm2)時，最大溫度跨度可達(dá)2.9K(圖2C-E)。同時，EC器件具有良好的陣列協(xié)同性(圖2F)。

　　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小時可控雙模式溫度調(diào)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(diào)節(jié)平臺結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計緊湊，效率高，以太陽光為唯一能源，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。