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研究背景
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。当环境温度波动较大时，服装需要将体温维持在安全范围内以维持人体舒适和安全。此外，严寒的极地或太空旅行等恶劣环境下也需要调温服装使身体保持在舒适的温度范围。因此，能够像宇航服一样使人体保持在舒适温度范围的可穿戴调温服装一直是智能服装系统长期追求但具有挑战性的目标。
关键问题
目前开发的温度调节系统可大致分为被动系统和主动系统，然而，大多数具有自我可持续性的太阳能供电系统只能实现单向温度调节。具有双向温度调节功能的系统需要提高效率、响应速度和可调温度范围（皮肤温度）。 2、开发一种全天候、自供电、双向调温的服装系统仍具有挑战主动体温调节系统可以使人体快速降温或升温，但通常需要额外能量输入，且能耗高、效率低，自供电、双向调温的服装系统必须收集能量才能实现全天的体温调节，还需要快速响应各种复杂或快速的环境温度变化。
新思路
有鉴于此，南开大学陈永胜教授、马儒军教授、刘永胜教授等人通过集成柔性有机光伏（OPV）模块来直接从阳光和双向电热（EC）设备中获取能量，开发了一种灵活且可持续的个人体温调节服装系统。柔性OPV-EC体温调节服(OETC) 可以将人体热舒适区从22°–28°C扩展到12.5°–37.6°C，且具有快速的体温调节速率。EC装置能耗低、效率高，可在12小时阳光能量输入的情况下实现24小时可控双模式温度调节。该自供电可穿戴式调温平台结构简单、设计紧凑、效率高，以太阳光为唯一能量来源，具有较强的自适应性。作者阐明了OETC系统中阳光能量收集单元和温度调节单元的制造，实现了全天候、双向温度调节。作者展示了由一个OPV模块和两个EC单元组装而成的柔性OETC温度调节系统，证实了该系统可以实现双向制冷/加温调节，具有大的温度跨度和良好的热管理能力，具有实际可穿戴温度调节所需的良好可扩展性。作者证明了OETC的耐磨性，能满足人体温度调节的灵活需求，且具有宽泛的人体热舒适区。4、论述了OETC在户外的温度调节性能及在太空中的应用前景作者通过比较测量展示了OETC的冷却能力和优异的保暖能力，并展望了OETC在未来的太空用宇航服中的实际应用，提出了相应的改进方案。作者选择了由太阳光供电的柔性OPV模块和高效传热EC装置作为两个主要单元，制造了自我维持的体温调节服装系统，OPV-EC体温调节服 (OETC)系统在所需的制冷和升温模式下均表现出高效、快速的性能。2、仅通过太阳能可实现全天候体温调节，且热舒适区扩展到19.1K作者所开发的服装系统仅通过太阳能为其提供动力，并能够在热/光和冷/黑暗环境之间全天循环，且它还能将热舒适区扩展19.1K（从6.0到25.1K），根据人体需要达到智能可控的全天双模式体温调节。
作者为OETC系统中的阳光能量收集单元制造了厚度仅为180毫米的大型柔性OPV模块，温度调节单元选择了熵变大且具有良好机械柔性的聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯氯氟乙烯）[P(VDF-TrFE-CFE)]，制造了一种灵活的EC温度调节装置，表现出与刚性器件相同的热管理性能。作者将能量收集单元和温度调节单元集成到OETC系统中，实现了制冷模式和制热模式随时切换，在阳光下，OPV组件高效地将太阳能转化为电能，多余的能量可以存储在简单的附加能量存储系统(ESS)中，从而实现全天（白天/夜间）运行。
图 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
作者展示了由一个OPV模块和两个EC单元组装而成的柔性OETC温度调节系统，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系统可以实现更大的温度跨度，在不同的光照强度下仍然表现出良好且稳定的热管理能力。此外，OETC系统还具有更大的温度跨度和热通量。由于EC器件具有低能耗，ESS中存储的剩余能量可以在夜间自动切换为整个系统供电，实现全日夜温度调节循环。作者还证实了EC器件具有良好的阵列协同性，单个有效面积为25.2 cm2的OPV模块可以同时驱动两个并联的有效面积为16 cm2的EC器件阵列，表明OETC系统具有实际可穿戴温度调节所需的良好可扩展性。
图 柔性OETC系统的性能
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，证明了OETC的耐磨性，可以满足人体温度调节的灵活需求。作者展示了人体皮肤上柔性OETC热测量的实验装置以及OETC冷却模式下人手的温度调节，结果表明OETC以6.1℃/分钟的平均速率将人体皮肤从36.8℃冷却至31.7℃，可实现快速体温调节。即使环境温度在12.5°C至37.6°C之间变化，OETC 仍可将人体皮肤温度维持在32.0°C至36.0°C之间的热舒适区内，得益于27.89 mW/cm2的高效净热传输能力，OETC可以将人体热舒适区扩大19.1 K。
图 OETC的可穿戴体温调节性能
作者测量并比较了裸露的人造皮肤、覆盖棉质衣服的皮肤和覆盖OETC的皮肤在26.0°C下100 mW/cm2的阳光下和在0°C黑暗中的温度变化，展示了OETC的冷却能力和优异的保暖能力。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。对于未来的太空用宇航服，假设使用45％PCE的太阳能电池装置，估计提供全天人体体温调节的OPV组件的面积将仅为1.12 平方，该OETC系统未来可以在性能和实用性方面进行优化，以适应更恶劣的环境。可以通过改性材料、级联器件、纳米填料等多种手段增加EC装置的温度跨度，以提高OETC系统的温度调节性能。未来应着重研究基于本工作中展示的原型和概念开发实用产品。
图 OETC与棉质服装的体温调节性能对比及个人太空旅行展望
展望
总之，作者开发了一种先进的自供电可穿戴体温调节系统，将柔性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。OETC可将热舒适区从6.0延伸至25.1K，具有快速的体温调节功能，可以保证人体在各种复杂、不稳定的环境中的安全和舒适。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，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。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
