依靠太阳能进行温度调节的服装，防暑防寒！

人体必须在一定的温度范围内才能保持舒适和安全。体温调节服装在日常生活中调节体温、保持身体热舒适度方面发挥着不可或缺的作用，其可分为两类。被动式包括辐射冷却、相变和吸附系统，其优点是不需要外部能量输入。主动型可以有利于人体按需快速降温或升温。然而，在昼夜循环、极地严寒和太空旅行等严酷的应用场景中，体温调节服装面临着挑战。

鉴于此，南开大学陈永胜教授、马儒军教授、刘永胜教授联合开发了一种灵活且可持续的个人体温调节服系统，该系统集成了可直接从太阳光中获取能量的柔性有机光伏（OPV）模块和双向电致发光（EC）装置。柔性OPV-EC体温调节服（OETC）可将人体热舒适区从22°-28°C扩展到12.5°-37.6°C，并具有快速的体温调节速率。EC设备能耗低、效率高，只需12小时的阳光能量输入，即可实现24小时的可控双模式体温调节。这种自供电的可穿戴体温调节平台结构简单、设计紧凑、效率高、自适应能力强，以太阳光为唯一能源。它是可穿戴技术的创新方法，为应对温度变化带来的挑战提供了可持续且响应迅速的解决方案。相关研究成果以题为“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”发表在最新一期《Science》上。

【OETC系统制备】

作者为OETC系统中的阳光能量收集单元制造了厚度仅为180μm的大型柔性OPV模块。OETC的温度调节单元，作者选择聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)[P(VDF-TrFE-CFE)]，主要是因为它的熵变大，接近室温时绝热温变大，机械柔性好。在阳光下，OPV组件高效地将太阳能转化为电能，直接驱动EC装置，提供制冷效果（图1）。在黑暗中，该OETC系统可以利用ESS提供的储存能量在环境寒冷时维持体温，从而实现全天（白天/夜间）运行。制冷模式和制热模式可随时切换，实现个性化热舒适。

图1.佩戴OETC时的工作模式，以根据需要在热（阳光下）和冷（黑暗）环境之间的循环中实现个人热舒适度

【OETC系统制冷/制热模式工作原理、在不同工作场景下的温度跨度】

本文展示了由一个OPV模块和两个EC单元组装而成的灵活OETC温度调节系统的照片（图2A）。这种紧凑的组装方式可以根据需要为人体提供有效的制冷/加温。OETC系统的冷却模式（图2B）的工作机制与电源供电相同，但在OETC系统中可以直接通过OPV模块产生的电力为其供电（见图2B）。冷却模式包括以下步骤：(i)静电驱动EC聚合物堆叠朝向顶部柔性传热层(作为具有大热容量的散热器；(ii)通过在EC聚合物叠层上施加电场来加热EC聚合物叠层，从而将热量从EC聚合物叠层传递到柔性传热层[图2B，(1)]；(iii)EC聚合物叠层静电驱动至人体皮肤底部（作为热源）；（iv）通过去除电场来冷却EC聚合物堆叠，从而将热量从人体皮肤传递到EC聚合物堆叠，实现皮肤冷却的一个循环[图2B，(2)]。对于升温模式，通过改变上述四个步骤的顺序，将热量传递向相反方向来实现升温，只需调整方波电压的相位即可实现。相应地，加温模式与制冷模式具有类似的步骤，但具有相反的传热效果：(i)EC聚合物堆叠静电驱动至需要加温的底部人体皮肤；(ii)通过在EC聚合物堆叠上施加电场来加热EC聚合物堆叠，从而将热量从EC聚合物堆叠传递到人体皮肤（作为散热器）[图2B，(3)]；(iii)EC聚合物叠层静电驱动至顶部柔性传热层（作为热源）；(iv)通过去除电场来冷却EC聚合物堆叠，从而将热量从柔性传热层传递到EC聚合物堆叠，以完成一个皮肤加温循环[图2B，(4)]。通过这两种工作模式，可以根据需要实现制冷和升温的双向可控温度调节。OETC系统在不同光照强度下均表现良好，当光照强度为标准AM1.5G太阳光（100mW/cm2）时，最大温度跨度可达2.9K（图2C-E）。同时，EC器件具有良好的阵列协同性（图2F）。

图2.柔性OETC系统的性能。

【OETC对人体的体温调节性能】

为了证明OETC的耐磨性以满足人体温度调节的灵活需求，作者测量了OETC在弯曲状态下的冷却和升温模式性能的稳定性（图3A），OETC在平坦、弯曲和释放状态下的温度调节性能变化可以忽略不计，表现出优异的灵活性。他们同时展示了人体皮肤上灵活的 OETC 热测量的实验装置（图 3B）以及 OETC 冷却模式下人手的温度调节（图 3C）。OETC将舒适区扩大了令人印象深刻的 19.1 K（图3D-F）。这样的增加大概可以让人体适应更复杂和变化的环境。

图3.OETC的可穿戴温度调节性能

【OETC在户外的温度调节性能及在太空中的应用前景】

作者分别测量并比较了裸露人造皮肤、覆盖棉衣的皮肤和覆盖OETC的皮肤（图4A）在环境温度为26.0°C时100mW/cm2的阳光下和环境温度为0°C时黑暗中的温度变化。OETC最大冷却能力达到10.1K。与人工皮肤相比，覆盖有OETC的人工皮肤的升温性能比覆盖有棉服的皮肤和裸露的皮肤高出3.2K，这表明OETC具有出色的升温能力。与此同时，使用太阳能的双向温度调节可以使该设备集成到传统宇航服中以帮助降低总体电力需求（图4B）。

图4.ETC与棉质服装的体温调节性能对比及个人太空旅行前景

【总结】

本文开发了一种先进的自供电可穿戴体温调节系统，将灵活的OPV模块和EC体温调节单元集成在一起，以实现高效的个性化体温调节。其主动控制功能可根据人体需要进行快速制冷/升温双模式温度调节。而且，OETC可将热舒适区从6.0延伸至25.1K，快速调温，可保证人体在各种复杂不稳定环境下的安全舒适。受益于EC装置的低能耗，OETC可以实现可控、全天时的双模式体温调节。结合其结构简单紧凑、效率高、自适应性强等突出特点，通过更多的优化，有理由相信OETC可以在高端温度调节领域展示潜在的应用，甚至延长人类在恶劣环境下的生存能力，例如极地地区和个人太空行走等环境。

来源：高分子科学前沿

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