特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
服裝在日常生活中調節體溫、保持身體熱舒適度方面發揮著不可或缺的作用。當環境溫度波動較大時，服裝需要將體溫維持在安全范圍內以維持人體舒適和安全。此外，嚴寒的極地或太空旅行等惡劣環境下也需要調溫服裝使身體保持在舒適的溫度范圍。因此，能夠像宇航服一樣使人體保持在舒適溫度范圍的可穿戴調溫服裝一直是智能服裝系統長期追求但具有挑戰性的目標。
關鍵問題
目前開發的溫度調節系統可大致分為被動系統和主動系統，然而，大多數具有自我可持續性的太陽能供電系統只能實現單向溫度調節。具有雙向溫度調節功能的系統需要提高效率、響應速度和可調溫度范圍（皮膚溫度）。 2、開發一種全天候、自供電、雙向調溫的服裝系統仍具有挑戰主動體溫調節系統可以使人體快速降溫或升溫，但通常需要額外能量輸入，且能耗高、效率低，自供電、雙向調溫的服裝系統必須收集能量才能實現全天的體溫調節，還需要快速響應各種復雜或快速的環境溫度變化。
新思路
有鑒于此，南開大學陳永勝教授、馬儒軍教授、劉永勝教授等人通過集成柔性有機光伏（OPV）模塊來直接從陽光和雙向電熱（EC）設備中獲取能量，開發了一種靈活且可持續的個人體溫調節服裝系統。柔性OPV-EC體溫調節服(OETC) 可以將人體熱舒適區從22°–28°C擴展到12.5°–37.6°C，且具有快速的體溫調節速率。EC裝置能耗低、效率高，可在12小時陽光能量輸入的情況下實現24小時可控雙模式溫度調節。該自供電可穿戴式調溫平臺結構簡單、設計緊湊、效率高，以太陽光為唯一能量來源，具有較強的自適應性。作者闡明了OETC系統中陽光能量收集單元和溫度調節單元的制造，實現了全天候、雙向溫度調節。作者展示了由一個OPV模塊和兩個EC單元組裝而成的柔性OETC溫度調節系統，證實了該系統可以實現雙向制冷/加溫調節，具有大的溫度跨度和良好的熱管理能力，具有實際可穿戴溫度調節所需的良好可擴展性。作者證明了OETC的耐磨性，能滿足人體溫度調節的靈活需求，且具有寬泛的人體熱舒適區。4、論述了OETC在戶外的溫度調節性能及在太空中的應用前景作者通過比較測量展示了OETC的冷卻能力和優異的保暖能力，并展望了OETC在未來的太空用宇航服中的實際應用，提出了相應的改進方案。作者選擇了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，制造了自我維持的體溫調節服裝系統，OPV-EC體溫調節服 (OETC)系統在所需的制冷和升溫模式下均表現出高效、快速的性能。2、僅通過太陽能可實現全天候體溫調節，且熱舒適區擴展到19.1K作者所開發的服裝系統僅通過太陽能為其提供動力，并能夠在熱/光和冷/黑暗環境之間全天循環，且它還能將熱舒適區擴展19.1K（從6.0到25.1K），根據人體需要達到智能可控的全天雙模式體溫調節。
作者為OETC系統中的陽光能量收集單元制造了厚度僅為180毫米的大型柔性OPV模塊，溫度調節單元選擇了熵變大且具有良好機械柔性的聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯氯氟乙烯）[P(VDF-TrFE-CFE)]，制造了一種靈活的EC溫度調節裝置，表現出與剛性器件相同的熱管理性能。作者將能量收集單元和溫度調節單元集成到OETC系統中，實現了制冷模式和制熱模式隨時切換，在陽光下，OPV組件高效地將太陽能轉化為電能，多余的能量可以存儲在簡單的附加能量存儲系統(ESS)中，從而實現全天（白天/夜間）運行。
圖 在熱（陽光下）和冷（黑暗）環境之間的循環中實現個人熱舒適度
作者展示了由一個OPV模塊和兩個EC單元組裝而成的柔性OETC溫度調節系統，緊湊的組裝方式可以根據需要為人體提供有效的制冷/加溫。OETC系統可以實現更大的溫度跨度，在不同的光照強度下仍然表現出良好且穩定的熱管理能力。此外，OETC系統還具有更大的溫度跨度和熱通量。由于EC器件具有低能耗，ESS中存儲的剩余能量可以在夜間自動切換為整個系統供電，實現全日夜溫度調節循環。作者還證實了EC器件具有良好的陣列協同性，單個有效面積為25.2 cm2的OPV模塊可以同時驅動兩個并聯的有效面積為16 cm2的EC器件陣列，表明OETC系統具有實際可穿戴溫度調節所需的良好可擴展性。
圖 柔性OETC系統的性能
作者測量了OETC在彎曲狀態下的冷卻和升溫模式性能的穩定性，證明了OETC的耐磨性，可以滿足人體溫度調節的靈活需求。作者展示了人體皮膚上柔性OETC熱測量的實驗裝置以及OETC冷卻模式下人手的溫度調節，結果表明OETC以6.1℃/分鐘的平均速率將人體皮膚從36.8℃冷卻至31.7℃，可實現快速體溫調節。即使環境溫度在12.5°C至37.6°C之間變化，OETC 仍可將人體皮膚溫度維持在32.0°C至36.0°C之間的熱舒適區內，得益于27.89 mW/cm2的高效凈熱傳輸能力，OETC可以將人體熱舒適區擴大19.1 K。
圖 OETC的可穿戴體溫調節性能
作者測量并比較了裸露的人造皮膚、覆蓋棉質衣服的皮膚和覆蓋OETC的皮膚在26.0°C下100 mW/cm2的陽光下和在0°C黑暗中的溫度變化，展示了OETC的冷卻能力和優異的保暖能力。使用太陽能的雙向溫度調節可以使該設備集成到傳統宇航服中以幫助降低總體電力需求。對于未來的太空用宇航服，假設使用45％PCE的太陽能電池裝置，估計提供全天人體體溫調節的OPV組件的面積將僅為1.12 平方，該OETC系統未來可以在性能和實用性方面進行優化，以適應更惡劣的環境。可以通過改性材料、級聯器件、納米填料等多種手段增加EC裝置的溫度跨度，以提高OETC系統的溫度調節性能。未來應著重研究基于本工作中展示的原型和概念開發實用產品。
圖 OETC與棉質服裝的體溫調節性能對比及個人太空旅行展望
展望
總之，作者開發了一種先進的自供電可穿戴體溫調節系統，將柔性OPV模塊和EC體溫調節單元集成在一起，以實現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/升溫雙模式溫度調節。OETC可將熱舒適區從6.0延伸至25.1K，具有快速的體溫調節功能，可以保證人體在各種復雜、不穩定的環境中的安全和舒適。受益于EC裝置的低能耗，OETC可以實現可控、全天時的雙模式體溫調節。結合其結構簡單緊湊、效率高、自適應性強等突出特點，通過更多的優化，相信OETC可以在高端溫度調節領域展示潛在的應用，甚至延長人類在惡劣環境下的生存能力。Ziyuan Wang, et al. Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight. Science,2023, 382(6676): 1291-1296. DOI: 10.1126/science.adj3654https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654
