來源：Science，研之成理

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

01 背景介紹

在日常生活中，服裝在調節人體熱量以保持人體熱舒適度方面發揮著不可或缺的作用。最常見的情況之一是，在環境溫度時高時低、變化迅速的情況下保持體溫在安全范圍內，例如，從舒適的室內環境（約 25℃）走到炎熱（>36℃）或寒冷（<15℃）的室外環境。如果沒有快速適應這種快速變化的環境溫度、降溫或升溫的能力，人們可能會感到不舒服或生病，甚至死亡。更具挑戰性的情況是，在嚴寒的極地或太空旅行（在陽光下極熱，在黑暗中極冷）等惡劣環境中，如何使我們的身體保持在舒適的溫度范圍（皮膚溫度）。因此，能像宇航服那樣使人體保持在舒適的溫度范圍（皮膚溫度）的可穿戴體溫調節服裝，一直是智能服裝系統長期追求但又極具挑戰性的目標。

02 成果掠影

近期，南開大學馬儒軍教授、陳永勝教授、劉永勝教授團隊聯合開發了一種先進的自供電可穿戴體溫調節系統，它將柔性的 OPV 模塊和 EC 體溫調節單元集成在一起，實現了高效的個性化體溫調節。其主動控制功能可根據人體需要進行快速制冷/制熱雙模式體溫調節。此外，通過 OETC 快速體溫調節，熱舒適區可從 6.0 K 擴展到 25.1 K，從而確保人體在各種復雜和不穩定環境中的安全和舒適。得益于 EC 設備的低能耗，OETC 可以實現可控的全天候雙模式體溫調節。再加上其結構簡單緊湊、效率高、自適應性強等其他突出特點，本研究相信，經過進一步優化，OETC 可以在高端體溫調節領域展現出潛在的應用前景，甚至可以擴展人類在極地和太空行走等惡劣環境中的生存能力。相關研究成果以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”為題發表于《Science》。

03 圖文導讀

圖1 穿戴OETC 時的工作模式，以便在所需的熱環境（陽光下）和冷環境（黑暗中）之間的循環中實現個人熱舒適性

1.本研究選擇聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]作為 OETC 的溫度調節單元，主要是因為其熵變大、室溫附近絕熱溫度變化大以及機械柔韌性好?；赑(VDF-TrFE-CFE)的 EC 系統在高效體溫調節方面具有巨大潛力。本研究仿效 Ma 等人的方法制造了一種柔性 EC 體溫調節裝置。值得注意的是，本研究的柔性 EC 裝置與剛性裝置具有相同的熱管理性能。

2.在兩個柔性的裝置準備就緒后，本研究將它們整合在一起，形成了 OETC 系統。在陽光照射下，OPV 模塊可有效地將太陽能轉化為電能，從而直接驅動 EC 設備，達到冷卻效果（圖 1）。由于 EC 設備的能耗較低，多余的能量可以儲存在一個簡單的附屬儲能系統（ESS）中。OPV 提供的電力足以為整個OETC 系統供電。因此，在黑暗環境中，當環境寒冷時，本研究的 OETC 系統可以利用 ESS 提供的存儲能量來維持體溫，從而實現全天（白天/黑夜）運行。制冷模式和取暖模式可根據需要隨時切換，以實現個人的熱舒適度。

圖2 柔性OTC系統的性能分析

要點：

1.本研究展示了由一個 OPV 模塊和兩個 EC 單元組裝而成的柔性 OETC 體溫調節系統的照片（圖 2A）。這種緊湊的組裝模式可根據需要為人體提供有效的制冷/制熱。制冷模式下（圖 2B），OETC 系統的工作機制與電力供應相同，但在本研究的系統中，本研究直接利用 OPV 模塊產生的電力為其供電。冷卻模式包括以下步驟：(i) 向頂部柔性傳熱層（作為具有大熱容量的散熱器）靜電驅動導電聚合體堆；(ii) 通過在導電聚合體堆上施加電場加熱導電聚合體堆，從而將熱量從導電聚合體堆傳遞到柔性傳熱層[圖 2B，(1)]；(iii) 靜電驅動導電率聚合物疊層朝向底部的人體皮膚（作為熱源）；(iv) 通過消除電場冷卻導電率聚合物疊層，從而將熱量從人體皮膚傳遞到導電率聚合物疊層，實現一個周期的皮膚冷卻[圖 2B，(2)]。

2.在升溫模式下，通過改變上述四個步驟的順序，將熱量向相反方向傳遞，從而實現升溫，而這只需調整方波電壓的相位即可實現。相應地，升溫模式的步驟與降溫模式相似，但熱傳導效果相反：(i) 靜電驅動導電率聚合物疊層朝向需要升溫的人體皮膚底部；(ii) 通過在導電率聚合物疊層上施加電場來加熱導電率聚合物疊層，從而使熱量從導電率聚合物疊層傳導到人體皮膚（作為散熱器）[圖 2B，(3)]；(iii) 靜電驅動導電率聚合物疊層朝向頂部的柔性傳熱層（作為熱源）；(iv) 通過消除電場冷卻導電率聚合物疊層，從而將熱量從柔性傳熱層傳遞到導電率聚合物疊層，完成一個周期的皮膚加熱[圖 2B，(4)]。有了這兩種工作模式，就可以根據需要實現降溫和升溫的雙向可控溫度調節。

圖3 OETC 的可穿戴式體溫調節性能

要點：

1.為了證明 OETC 的可穿戴性，以滿足人體體溫調節的柔性需求，本研究測量了 OETC 在彎曲狀態下制冷和升溫模式性能的穩定性（圖 3A）。在彎曲測量過程中，系統底部由 100 mW/cm2 的光源照射，頂部由紅外攝像機測量表面溫度。當 OETC 以 0.75 Hz 的頻率開始運行 10 秒鐘時，其溫度調節性能達到最大且穩定。OETC 的初始狀態為平面，曲率半徑（k）為 0 m-1。然后，OETC 系統以 0.12 m-1 s-1 的勻速彎曲，達到 3.6 m-1 的最大曲率，隨后以相同的速度釋放彎曲，直到OETC 的曲率恢復到 0 m-1。在操作過程中，本研究觀察到 OETC 在平坦、彎曲和釋放狀態下的體溫調節性能變化微乎其微，這表明其具有出色的適用性。

2.本研究進一步將柔性 OETC 應用于人體皮膚的體溫調節。本研究展示了在人體皮膚上進行柔性 OETC 熱測量的實驗裝置（圖 3B）和在 OETC 冷卻模式下對人手進行體溫調節的過程（圖 3C）。在環境溫度為 26℃ 時，照明強度為 100 mW/cm2，本研究使用紅外攝像探測器對整個過程進行了監測。本研究的 OETC 以平均每分鐘 6.1℃ 的速度將人體皮膚從 36.8℃ 冷卻到 31.7℃，實現了快速體溫調節（圖 3C）。

圖4 OETC 與棉衣相比的體溫調節性能以及個人太空行走的前景

要點：

1.本研究分別測量并比較了裸露人造皮膚、覆蓋棉衣的皮膚和覆蓋 OETC 的皮膚（圖 4A）在環境溫度為 26.0℃ 時100 mW/cm2 的陽光下和環境溫度為 0℃ 時黑暗中的溫度變化。在 26.0℃ 的環境溫度下，在標準 AM 1.5G （100 mW/cm2）的光照強度下，裸露皮膚和覆蓋棉衣的皮膚的溫度可分別從34.0℃ 升至 50.9°和 48.4℃。然而，覆蓋有 OETC 的人造皮膚的溫度僅為 40.8℃。最大冷卻能力達到 10.1 K（在 26.0℃ 的環境溫度下，在 100 mW/cm2 的照明強度下暴露 570 秒后，裸露的人造皮膚與覆蓋有 OETC 的人造皮膚在冷卻模式下的溫差計算得出），這表明了 OETC 的冷卻能力。

2.此外，在環境溫度為 0℃ 的寒冷夜晚，還可以通過使用 ESS 驅動 OETC 為皮膚加溫。與人造皮膚相比，覆蓋有 OETC 的人造皮膚的升溫性能比覆蓋有棉服的皮膚和裸露的皮膚高出 3.2 K（按裸露的人造皮膚與覆蓋有 OETC 的人造皮膚在升溫模式下暴露于 0℃ 環境溫度 570 秒后的溫差計算），這表明 OETC 具有出色的升溫能力。

3.這種利用太陽能的雙向溫度調節裝置可以集成到常規宇航服中，以幫助減少總體電力需求（圖 4B）。在個人太空行走期間，宇航服的理論面積約為 1.85 平方米。在太空中，太陽輻射壓力的大小取決于地球表面附近的太陽通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太陽常數來計算 1 天文單位的太陽通量。隨著太陽能電池性能（包括柔性 OPV 模塊的性能）的不斷提高，如果假定使用 45% PCE 的太陽能電池裝置，本研究估計全天候提供人體體溫調節的 OPV 模塊的面積僅為 1.12 平方米。

3.本研究相信，這種 OETC 系統在性能和實用性方面都可以在未來進行優化，以便在更惡劣的環境中應用。為了提高本研究的 OETC 系統的溫度調節性能，可以增加 EC 設備的溫度跨度。首先，在材料方面，雙鍵改性的 P（VDF-TrFE-CFE）材料可以在 118 MV/m 的條件下提供更大的溫度變化，達到 7.8 K。其次，可以使用級聯裝置來優化設備，將溫度跨度提高到 4.8 K（雙層）和 8.7 K（四層級聯）。最后，通過添加納米填料來改善 P（VDF-TrFE-CFE）的導熱性，或通過使用活性導電率再生器來進一步提高溫度梯度，導電率性能可得到進一步改善。顯然，要在本研究中展示的原型和概念基礎上開發出實用的產品，還需要進一步的研究。

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