Science重磅：冬天的「取暖神器」來了，有望用在宇航服中

這個冬天，太冷了。12 月 16 日，中央氣象臺發佈了低溫黃色預警，這是今年首個低溫預警。未來一週，我國大部地區的氣溫將持續偏低。

在這樣的溫度下，好像無論穿再多的衣服，都抵禦不了這嚴寒的天氣。或許，來自南開大學的可穿戴熱調節服能幫我們“添衣取暖”。

近日，南開大學的研究團隊研發了一種可以全天太陽能供電的雙向溫度調節服裝系統，該系統通過快速熱調節可以將熱舒適區從 22°C 至 28°C 擴展到 12.5°C至 37.6°C，且具有快速的體溫調節速率，從而確保在各種複雜和不穩定環境中人體的安全和舒適。

此外，由於該設備由太陽能自供電，因此不需要額外的電源。

相關研究論文以“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”爲題，已發表到Science上。

一篇同時發佈的相關觀點文章寫道：“Wang 等人的綜合設備爲主動控制、自供電和可穿戴的局部熱管理系統的開發開闢了廣闊的前景，同時爲擴展人類對惡劣環境的適應性提供了多種可能性。這一創新展示了一個未來的願景，即全天候無需擔憂能源供應限制的熱管理系統，甚至在特殊條件下，額外收集的能量還可用於爲電子設備提供電力。”

降溫、保暖，樣樣精通

服裝在維持身體熱量平衡、保持身體熱舒適度方面至關重要。從舒適的室內環境走出，進入酷熱或寒冷的戶外環境，若不能快速適應可能導致不適或者生病；在惡劣環境中，如在寒冷的極地區域或太空旅行中，則更具挑戰性。因此，可穿戴熱調節服裝一直是智能服裝系統中追求已久但又充滿挑戰的目標。

目前，人類已經開發出許多熱調節系統，主要分爲被動系統和主動系統。然而，在被動系統中，大多數太陽能驅動系統只能實現單向熱調節，且雙向熱調節系統需要提高效率、響應速度和可調溫度範圍；而主動系統則具有機械複雜性、能耗高和低效率等缺點。

因此，爲了實現熱調節服裝的可持續性、靈活性和輕量化，研究人員將有機光伏單元和電熱效應單元結合成一個具有所需柔性的單一設備，成功設計並製造了可穿戴的熱管理系統（OETC）。

該研究選擇了最近開發的電熱效應（EC）裝置，這些裝置高效、低能耗，具有雙向熱調節性能，並且無污染。例如，柔性的電熱效應熱調節裝置具有非常低的能量成本，能夠達到 13 的性能係數，並具有每克 2.8 瓦的特定製冷功率。

此外，OETC 實現了雙向熱管理，在炎熱的天氣中可以爲皮膚提供 10.1°C的降溫，同時通過有機光伏單元收集的額外能量，在黑暗或夜晚使人體比裸露的皮膚溫暖 3.2°C。另外，在最初的 5 秒內，皮膚最大加熱速率可達 15.6°C/分鐘，最大冷卻速率可達 14.0°C/分鐘，實現了快速的熱調節。

圖｜穿着靈活的 OETC 時的工作模式，根據需要在熱（陽光下）和冷（黑暗中）環境之間循環實現個人熱舒適（來源：該論文）

即使環境溫度在 12.5°C 到 37.6°C 之間變化，OETC 仍將人體皮膚溫度維持在 32.0°C 到 36.0°C 的熱舒適區域。

受益於 EC 設備的低能耗，OETC 系統可以在陽光能源輸入 12 小時的情況下全天候運行。因此，該系統具有可控、全天候的雙模式和顯著的熱調節性能等綜合特性，使個體在惡劣環境中僅使用陽光作爲能源也能更加舒適。

此外，該系統還成功地貼合人體皮膚。通過與人體協調的彎曲狀態測試，研究證明了其在不同姿勢下的穩定性。研究人員在不同彎曲狀態下觀察了 OETC 的熱調節性能，結果表明在 0.75 Hz 的頻率下運行 10 秒時，OETC 達到最大且穩定的熱調節性能。這種靈活性使得 OETC 在可穿戴設備中具備優越的適應性，能夠與人體的運動和變化的姿勢相協調，確保在各種情境下都能提供有效的熱調節。

圖｜OETC 的可穿戴熱調節性能（來源：該論文）

在惡劣環境中增加人類的生存能力

這一利用太陽能的雙向熱調節功能使得該設備更具吸引力，尤其是在集成到傳統宇航服中以幫助降低總體功耗方面。

在個體太空旅行期間，宇航服的理論面積約爲 1.85 平方米。在太空中，太陽輻射壓力的大小取決於地球表面附近的太陽輻射通量，通常使用 136.7 mW/cm2 的太陽常數來計算 1 天文單位內的太陽輻射通量。

圖｜OETC 與棉質服裝的體溫調節性能及個人太空旅行的前景（來源：該論文）

隨着太陽能電池性能的持續提高，如果假設使用 45% 的光電轉換效率太陽能電池裝置，爲提供全天人體熱調節所需的太陽能電池模塊估計只需 1.12 平方米的面積。

正如評論文章所說：“憑藉其出色的熱管理性能、方向輕鬆切換的能力以及爲實現最佳溫度控制而調整熱管理溫度範圍的能力，Wang 等人展示了一種使人體能夠適應環境溫度變化的服裝。”

藉助 EC 設備低能耗的優勢，OETC 可以實現可控和全天候的雙模式熱調節。加上其他優秀特性，如簡單緊湊的結構、高效率和強大的自適應性。

通過更多的優化，研究人員表示，OETC 在高端熱調節領域可能展現出潛在的應用，並且甚至能夠在極地地區和個體太空行走等惡劣環境中增加人類的生存能力。

然而，值得注意的是，這個系統在性能和實用性方面仍然需要進行優化，包括系統的溫度跨度和材料的導熱性。

評論文章指出：“Wang 等人的設備可以通過增加材料的熵變來進一步改進，而材料的導熱性可以通過添加無機填料來提高。此外，通過構建一個級聯設備，在其中多個電熱效應設備協同運作，可以優化整個系統的熱管理性能，增加整個系統的溫度跨度。”