Science重磅：冬天的「取暖神器」来了，太阳能供电，有望用在宇航服中
这个冬天，太冷了。12 月 16 日，中央气象台发布了低温黄色预警，这是今年首个低温预警。未来一周，我国大部地区的气温将持续偏低。
在这样的温度下，好像无论穿再多的衣服，都抵御不了这严寒的天气。或许，来自南开大学的可穿戴热调节服能帮我们“添衣取暖”。
近日，南开大学的研究团队研发了一种可以全天太阳能供电的双向温度调节服装系统，该系统通过快速热调节可以将热舒适区从 22°C 至 28°C 扩展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的体温调节速率，从而确保在各种复杂和不稳定环境中人体的安全和舒适。
此外，由于该设备由太阳能自供电，因此不需要额外的电源。
相关研究论文以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”为题，已发表到 Science 上。
一篇同时发布的相关观点文章写道：“Wang 等人的综合设备为主动控制、自供电和可穿戴的局部热管理系统的开发开辟了广阔的前景，同时为扩展人类对恶劣环境的适应性提供了多种可能性。这一创新展示了一个未来的愿景，即全天候无需担忧能源供应限制的热管理系统，甚至在特殊条件下，额外收集的能量还可用于为电子设备提供电力。”
降温、保暖，样样精通
服装在维持身体热量平衡、保持身体热舒适度方面至关重要。从舒适的室内环境走出，进入酷热或寒冷的户外环境，若不能快速适应可能导致不适或者生病；在恶劣环境中，如在寒冷的极地区域或太空旅行中，则更具挑战性。因此，可穿戴热调节服装一直是智能服装系统中追求已久但又充满挑战的目标。
目前，人类已经开发出许多热调节系统，主要分为被动系统和主动系统。然而，在被动系统中，大多数太阳能驱动系统只能实现单向热调节，且双向热调节系统需要提高效率、响应速度和可调温度范围；而主动系统则具有机械复杂性、能耗高和低效率等缺点。
因此，为了实现热调节服装的可持续性、灵活性和轻量化，研究人员将有机光伏单元和电热效应单元结合成一个具有所需柔性的单一设备，成功设计并制造了可穿戴的热管理系统（OETC）。
该研究选择了最近开发的电热效应（EC）装置，这些装置高效、低能耗，具有双向热调节性能，并且无污染。例如，柔性的电热效应热调节装置具有非常低的能量成本，能够达到 13 的性能系数，并具有每克 2.8 瓦的特定制冷功率。
此外，OETC 实现了双向热管理，在炎热的天气中可以为皮肤提供 10.1°C 的降温，同时通过有机光伏单元收集的额外能量，在黑暗或夜晚使人体比裸露的皮肤温暖 3.2°C。另外，在最初的 5 秒内，皮肤最大加热速率可达 15.6°C/分钟，最大冷却速率可达 14.0°C/分钟，实现了快速的热调节。
图｜穿着灵活的 OETC 时的工作模式，根据需要在热（阳光下）和冷（黑暗中）环境之间循环实现个人热舒适（来源：该论文）
即使环境温度在 12.5°C 到 37.6°C 之间变化，OETC 仍将人体皮肤温度维持在 32.0°C 到 36.0°C 的热舒适区域。
受益于 EC 设备的低能耗，OETC 系统可以在阳光能源输入 12 小时的情况下全天候运行。因此，该系统具有可控、全天候的双模式和显著的热调节性能等综合特性，使个体在恶劣环境中仅使用阳光作为能源也能更加舒适。
此外，该系统还成功地贴合人体皮肤。通过与人体协调的弯曲状态测试，研究证明了其在不同姿势下的稳定性。研究人员在不同弯曲状态下观察了 OETC 的热调节性能，结果表明在 0.75 Hz 的频率下运行 10 秒时，OETC 达到最大且稳定的热调节性能。这种灵活性使得 OETC 在可穿戴设备中具备优越的适应性，能够与人体的运动和变化的姿势相协调，确保在各种情境下都能提供有效的热调节。
图｜OETC 的可穿戴热调节性能（来源：该论文）
在恶劣环境中增加人类的生存能力
这一利用太阳能的双向热调节功能使得该设备更具吸引力，尤其是在集成到传统宇航服中以帮助降低总体功耗方面。
在个体太空旅行期间，宇航服的理论面积约为 1.85 平方米。在太空中，太阳辐射压力的大小取决于地球表面附近的太阳辐射通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太阳常数来计算 1 天文单位内的太阳辐射通量。
图｜OETC 与棉质服装的体温调节性能及个人太空旅行的前景（来源：该论文）
随着太阳能电池性能的持续提高，如果假设使用 45% 的光电转换效率太阳能电池装置，为提供全天人体热调节所需的太阳能电池模块估计只需 1.12 平方米的面积。
正如评论文章所说：“凭借其出色的热管理性能、方向轻松切换的能力以及为实现最佳温度控制而调整热管理温度范围的能力，Wang 等人展示了一种使人体能够适应环境温度变化的服装。”
借助 EC 设备低能耗的优势，OETC 可以实现可控和全天候的双模式热调节。加上其他优秀特性，如简单紧凑的结构、高效率和强大的自适应性。
通过更多的优化，研究人员表示，OETC 在高端热调节领域可能展现出潜在的应用，并且甚至能够在极地地区和个体太空行走等恶劣环境中增加人类的生存能力。
然而，值得注意的是，这个系统在性能和实用性方面仍然需要进行优化，包括系统的温度跨度和材料的导热性。
评论文章指出：“Wang 等人的设备可以通过增加材料的熵变来进一步改进，而材料的导热性可以通过添加无机填料来提高。此外，通过构建一个级联设备，在其中多个电热效应设备协同运作，可以优化整个系统的热管理性能，增加整个系统的温度跨度。”