来源：Science，研之成理

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

01 背景介绍

在日常生活中，服装在调节人体热量以保持人体热舒适度方面发挥着不可或缺的作用。最常见的情况之一是，在环境温度时高时低、变化迅速的情况下保持体温在安全范围内，例如，从舒适的室内环境（约 25℃）走到炎热（>36℃）或寒冷（<15℃）的室外环境。如果没有快速适应这种快速变化的环境温度、降温或升温的能力，人们可能会感到不舒服或生病，甚至死亡。更具挑战性的情况是，在严寒的极地或太空旅行（在阳光下极热，在黑暗中极冷）等恶劣环境中，如何使我们的身体保持在舒适的温度范围（皮肤温度）。因此，能像宇航服那样使人体保持在舒适的温度范围（皮肤温度）的可穿戴体温调节服装，一直是智能服装系统长期追求但又极具挑战性的目标。

02 成果掠影

近期，南开大学马儒军教授、陈永胜教授、刘永胜教授团队联合开发了一种先进的自供电可穿戴体温调节系统，它将柔性的 OPV 模块和 EC 体温调节单元集成在一起，实现了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/制热双模式体温调节。此外，通过 OETC 快速体温调节，热舒适区可从 6.0 K 扩展到 25.1 K，从而确保人体在各种复杂和不稳定环境中的安全和舒适。得益于 EC 设备的低能耗，OETC 可以实现可控的全天候双模式体温调节。再加上其结构简单紧凑、效率高、自适应性强等其他突出特点，本研究相信，经过进一步优化，OETC 可以在高端体温调节领域展现出潜在的应用前景，甚至可以扩展人类在极地和太空行走等恶劣环境中的生存能力。相关研究成果以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”为题发表于《Science》。

03 图文导读

图1 穿戴OETC 时的工作模式，以便在所需的热环境（阳光下）和冷环境（黑暗中）之间的循环中实现个人热舒适性

1.本研究选择聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]作为 OETC 的温度调节单元，主要是因为其熵变大、室温附近绝热温度变化大以及机械柔韧性好。基于P(VDF-TrFE-CFE)的 EC 系统在高效体温调节方面具有巨大潜力。本研究仿效 Ma 等人的方法制造了一种柔性 EC 体温调节装置。值得注意的是，本研究的柔性 EC 装置与刚性装置具有相同的热管理性能。

2.在两个柔性的装置准备就绪后，本研究将它们整合在一起，形成了 OETC 系统。在阳光照射下，OPV 模块可有效地将太阳能转化为电能，从而直接驱动 EC 设备，达到冷却效果（图 1）。由于 EC 设备的能耗较低，多余的能量可以储存在一个简单的附属储能系统（ESS）中。OPV 提供的电力足以为整个OETC 系统供电。因此，在黑暗环境中，当环境寒冷时，本研究的 OETC 系统可以利用 ESS 提供的存储能量来维持体温，从而实现全天（白天/黑夜）运行。制冷模式和取暖模式可根据需要随时切换，以实现个人的热舒适度。

图2 柔性OTC系统的性能分析

要点：

1.本研究展示了由一个 OPV 模块和两个 EC 单元组装而成的柔性 OETC 体温调节系统的照片（图 2A）。这种紧凑的组装模式可根据需要为人体提供有效的制冷/制热。制冷模式下（图 2B），OETC 系统的工作机制与电力供应相同，但在本研究的系统中，本研究直接利用 OPV 模块产生的电力为其供电。冷却模式包括以下步骤：(i) 向顶部柔性传热层（作为具有大热容量的散热器）静电驱动导电聚合体堆；(ii) 通过在导电聚合体堆上施加电场加热导电聚合体堆，从而将热量从导电聚合体堆传递到柔性传热层[图 2B，(1)]；(iii) 静电驱动导电率聚合物叠层朝向底部的人体皮肤（作为热源）；(iv) 通过消除电场冷却导电率聚合物叠层，从而将热量从人体皮肤传递到导电率聚合物叠层，实现一个周期的皮肤冷却[图 2B，(2)]。

2.在升温模式下，通过改变上述四个步骤的顺序，将热量向相反方向传递，从而实现升温，而这只需调整方波电压的相位即可实现。相应地，升温模式的步骤与降温模式相似，但热传导效果相反：(i) 静电驱动导电率聚合物叠层朝向需要升温的人体皮肤底部；(ii) 通过在导电率聚合物叠层上施加电场来加热导电率聚合物叠层，从而使热量从导电率聚合物叠层传导到人体皮肤（作为散热器）[图 2B，(3)]；(iii) 静电驱动导电率聚合物叠层朝向顶部的柔性传热层（作为热源）；(iv) 通过消除电场冷却导电率聚合物叠层，从而将热量从柔性传热层传递到导电率聚合物叠层，完成一个周期的皮肤加热[图 2B，(4)]。有了这两种工作模式，就可以根据需要实现降温和升温的双向可控温度调节。

图3 OETC 的可穿戴式体温调节性能

要点：

1.为了证明 OETC 的可穿戴性，以满足人体体温调节的柔性需求，本研究测量了 OETC 在弯曲状态下制冷和升温模式性能的稳定性（图 3A）。在弯曲测量过程中，系统底部由 100 mW/cm2 的光源照射，顶部由红外摄像机测量表面温度。当 OETC 以 0.75 Hz 的频率开始运行 10 秒钟时，其温度调节性能达到最大且稳定。OETC 的初始状态为平面，曲率半径（k）为 0 m-1。然后，OETC 系统以 0.12 m-1 s-1 的匀速弯曲，达到 3.6 m-1 的最大曲率，随后以相同的速度释放弯曲，直到OETC 的曲率恢复到 0 m-1。在操作过程中，本研究观察到 OETC 在平坦、弯曲和释放状态下的体温调节性能变化微乎其微，这表明其具有出色的适用性。

2.本研究进一步将柔性 OETC 应用于人体皮肤的体温调节。本研究展示了在人体皮肤上进行柔性 OETC 热测量的实验装置（图 3B）和在 OETC 冷却模式下对人手进行体温调节的过程（图 3C）。在环境温度为 26℃ 时，照明强度为 100 mW/cm2，本研究使用红外摄像探测器对整个过程进行了监测。本研究的 OETC 以平均每分钟 6.1℃ 的速度将人体皮肤从 36.8℃ 冷却到 31.7℃，实现了快速体温调节（图 3C）。

图4 OETC 与棉衣相比的体温调节性能以及个人太空行走的前景

要点：

1.本研究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℃ 时100 mW/cm2 的阳光下和环境温度为 0℃ 时黑暗中的温度变化。在 26.0℃ 的环境温度下，在标准 AM 1.5G （100 mW/cm2）的光照强度下，裸露皮肤和覆盖棉衣的皮肤的温度可分别从34.0℃ 升至 50.9°和 48.4℃。然而，覆盖有 OETC 的人造皮肤的温度仅为 40.8℃。最大冷却能力达到 10.1 K（在 26.0℃ 的环境温度下，在 100 mW/cm2 的照明强度下暴露 570 秒后，裸露的人造皮肤与覆盖有 OETC 的人造皮肤在冷却模式下的温差计算得出），这表明了 OETC 的冷却能力。

2.此外，在环境温度为 0℃ 的寒冷夜晚，还可以通过使用 ESS 驱动 OETC 为皮肤加温。与人造皮肤相比，覆盖有 OETC 的人造皮肤的升温性能比覆盖有棉服的皮肤和裸露的皮肤高出 3.2 K（按裸露的人造皮肤与覆盖有 OETC 的人造皮肤在升温模式下暴露于 0℃ 环境温度 570 秒后的温差计算），这表明 OETC 具有出色的升温能力。

3.这种利用太阳能的双向温度调节装置可以集成到常规宇航服中，以帮助减少总体电力需求（图 4B）。在个人太空行走期间，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通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太阳常数来计算 1 天文单位的太阳通量。随着太阳能电池性能（包括柔性 OPV 模块的性能）的不断提高，如果假定使用 45% PCE 的太阳能电池装置，本研究估计全天候提供人体体温调节的 OPV 模块的面积仅为 1.12 平方米。

3.本研究相信，这种 OETC 系统在性能和实用性方面都可以在未来进行优化，以便在更恶劣的环境中应用。为了提高本研究的 OETC 系统的温度调节性能，可以增加 EC 设备的温度跨度。首先，在材料方面，双键改性的 P（VDF-TrFE-CFE）材料可以在 118 MV/m 的条件下提供更大的温度变化，达到 7.8 K。其次，可以使用级联装置来优化设备，将温度跨度提高到 4.8 K（双层）和 8.7 K（四层级联）。最后，通过添加纳米填料来改善 P（VDF-TrFE-CFE）的导热性，或通过使用活性导电率再生器来进一步提高温度梯度，导电率性能可得到进一步改善。显然，要在本研究中展示的原型和概念基础上开发出实用的产品，还需要进一步的研究。

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