兩分鐘降溫十?dāng)z氏度，續(xù)航八小時(shí)： 一款可穿戴恒溫器是如何實(shí)現(xiàn)的

孫滔

一件薄薄的馬甲就可以讓人度過酷暑寒冬，這將很快不再是科幻。《科學(xué)進(jìn)展》近日發(fā)表的研究顯示，來自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的陳仁坤和徐升團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款可穿戴的恒溫裝備：只需數(shù)分鐘，你就可以從酷暑嚴(yán)寒回到舒適環(huán)境中。

調(diào)溫10攝氏度，只需兩分鐘

眾所周知，室內(nèi)供暖和制冷是能耗大戶，占到全球總能耗的10%以上。要知道，人體代謝的功率只有100瓦到150瓦，而人均采暖、通風(fēng)和空調(diào)能耗功率卻高達(dá)1500瓦左右，這就意味著巨大的能源浪費(fèi)。此外，對(duì)于戶外工作者如消防員和建筑工人而言，又無法完全避開高溫和中暑。

于是，可穿戴的調(diào)溫裝備成了解決方案?jìng)溥x：既能節(jié)省能源，還能更方便人們室外活動(dòng)。但一直以來缺乏可持續(xù)調(diào)溫的柔性可穿戴熱電設(shè)備。雖然能在空調(diào)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻，也就是可以將熱量從冷側(cè)泵送到熱側(cè)，但這種設(shè)備的小型化以至于便于佩戴的裝置開發(fā)有很大的挑戰(zhàn)性。大多數(shù)現(xiàn)有的冷卻裝置體積龐大且難以整合到服裝中，比如市售的冷卻背心裝有循環(huán)冷卻劑，不僅笨重，而且其冷卻功率不可調(diào)節(jié)。

于是熱電裝置成了熱門方案，因其是固體可以小型化，并且冷熱易于調(diào)節(jié)。不過已有的熱電恒溫裝置因?yàn)椴牧闲阅芫壒?，沒有表現(xiàn)出可持續(xù)的主動(dòng)冷卻性能。加州大學(xué)圣地亞哥分校團(tuán)隊(duì)的發(fā)明攻克了上述難題。

可穿戴恒溫器的原型

這種人體恒溫貼片通過控制電流的正反流向，可以給皮膚進(jìn)行幅度高達(dá)10攝氏度的降溫或升溫，并且可以使用超過八個(gè)小時(shí)。這是一款主動(dòng)冷卻的可穿戴熱電裝置，主要由熱電柱、柔性銅電極和可拉伸夾片構(gòu)成?；疑臒犭娭庙诨G熱電合金材料所制成，并焊接至柔性銅電極上，多個(gè)銅電極焊接裝置一并被夾在可拉伸的彈性?shī)A片之間。這種彈性?shī)A片則經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，由氮化鋁粉末與硅膠結(jié)合制成，因?yàn)榈X是一種具有高導(dǎo)熱性的材料，而橡膠具備柔韌性，這就讓彈性?shī)A片兼具了高導(dǎo)熱和柔韌性，這樣這款恒溫貼片就可緊貼人體皮膚，將電熱在兩片彈性體間進(jìn)行傳輸。當(dāng)有電流流過熱電柱（碲化鉍合金）時(shí)，會(huì)帶動(dòng)熱量流動(dòng)，使恒溫器彈性?shī)A片的一側(cè)升溫，另一側(cè)降溫。通過控制電流的正反，可以給皮膚降溫或升溫，從而使人體始終處于適宜的溫度。

這個(gè)發(fā)明相當(dāng)于是一款可移動(dòng)的空調(diào)裝置，只是更節(jié)能、更便捷。研究人員將裝置設(shè)計(jì)成臂章造型，可輕便佩戴。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械與航天工程系副教授陳仁坤介紹說，當(dāng)氣溫在20攝氏度到36攝氏度之間時(shí)，該裝置可以在兩分鐘內(nèi)將皮膚溫度保持在32攝氏度。32攝氏度被認(rèn)為是皮膚的舒適溫度。當(dāng)然，在嚴(yán)冬，這款恒溫器可以產(chǎn)生發(fā)熱升溫的功效。如果沒有這個(gè)恒溫器，皮膚溫度32攝氏度對(duì)應(yīng)的是室溫29攝氏度的環(huán)境感受?！八晕覀兺ㄟ^這個(gè)器件，相當(dāng)于把等效室溫調(diào)節(jié)了7～10攝氏度（從36攝氏度調(diào)到29攝氏度， 或者從19攝氏度調(diào)到29攝氏度）”。每片恒溫器貼片的長(zhǎng)寬為5厘米，功率使用約0.2瓦。陳仁坤估計(jì)，制作一件體溫調(diào)節(jié)器約需100片這樣的裝置，耗電約26瓦，比開空調(diào)所需的電力要節(jié)能很多。

一個(gè)集成式創(chuàng)新

如果穿上這個(gè)恒溫設(shè)備，能讓人在各種溫度下均感舒適，人們就可以離開空調(diào)了，這會(huì)省掉70%的能源。除了解決戶外工作煩惱，這些裝置還可以用于醫(yī)療護(hù)理，例如用于發(fā)燒、燒傷和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者。

恒溫器原型的柔性電池（左）、柔性電路（中）和可傳熱的柔性?shī)A片（右）

目前，團(tuán)隊(duì)正繼續(xù)研究電子和機(jī)械方面的問題，并開發(fā)控制溫度的移動(dòng)端應(yīng)用程序。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人陳仁坤博士接受了DeepTech專訪。

問：你們團(tuán)隊(duì)一直在從事體溫調(diào)節(jié)的智能服裝研發(fā)，2015年就有你們研發(fā)智能服裝的報(bào)道，與之前的研究相比，現(xiàn)在的研究有什么進(jìn)展？

陳仁坤：我們實(shí)驗(yàn)室主要是做傳熱方面的研究，比如說各種器件如何散熱，還有就是開發(fā)一些新的材料，從熱能轉(zhuǎn)化成電能，比如太陽(yáng)能器件。我們有大概一半的精力是在應(yīng)用上面，另外一半是在更基礎(chǔ)的科研上，比如說在納米尺度上的導(dǎo)熱或熱輻射的研究。

我們今天的發(fā)明就是2015年所開始的項(xiàng)目。2015年我們拿到一個(gè)能源部項(xiàng)目，目的是研發(fā)智能服裝。團(tuán)隊(duì)里別人負(fù)責(zé)做智能的纖維材料，我和幾個(gè)同事具體負(fù)責(zé)主動(dòng)降溫的熱電器件。當(dāng)時(shí)我們已經(jīng)有了一些熱電器件，有一些初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明這個(gè)研究在科學(xué)原理上和技術(shù)上都是可行的，但是我們還沒有把這個(gè)原型做出來，做了三年多才有今天的結(jié)果。

今天這個(gè)發(fā)明并非材料學(xué)的革新，其實(shí)我們?cè)诓牧仙线€是用的比較傳統(tǒng)的熱電材料。我們主要的創(chuàng)新點(diǎn)是把傳統(tǒng)的材料集成到了柔性器件里面，它可以直接貼到人的皮膚上面?？梢哉f，這是一個(gè)集成式的發(fā)明。

問：你們這個(gè)研究的團(tuán)隊(duì)分工是怎樣的？

陳仁坤：我的同事，加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的徐升博士一直在開發(fā)醫(yī)療保健和能源應(yīng)用的可穿戴電子設(shè)備，因?yàn)槲覀兪且粋€(gè)學(xué)校的，所以有比較多的討論和合作，這次的可穿戴恒溫器是我們合作的第一個(gè)成果。同時(shí)我們這個(gè)成果也非常受益于在電池領(lǐng)域的組內(nèi)同事的貢獻(xiàn)。

我的研究小組在這個(gè)項(xiàng)目里主要設(shè)計(jì)材料和器件的尺度，讓各方面滿足傳熱和冷卻的需求。徐升博士的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地把一些本身不是軟的材料做成柔性器件。同樣，我的同事 Shirley Meng和Ping Liu擅長(zhǎng)做電池，他們開發(fā)了柔性電池，所以我們以后可以想象這個(gè)恒溫器和電池都可以集成到衣服或者夾克里面。Joseph Wang則擅長(zhǎng)做可穿戴傳感器。

問：如果做成衣服，這種電池是怎樣安裝的？安全性有保障嗎？

陳仁坤：我們提到兩個(gè)可能性，一個(gè)就是我們項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)做柔性的電池，我們現(xiàn)在做的是類似紐扣電池，而柔性電池也可以集成到衣服里面，但它集成的位置跟我們的熱電裝置位置不一樣，比如說電池可以裝在側(cè)面或者是口袋里。還有一個(gè)可能性，類似于充電寶，可以放在書包或衣兜，它和熱電裝置是完全分開的。

柔性展示

至于安全性。它的安全性跟手機(jī)電池是接近的，其電壓不高，電流的大小是可以設(shè)計(jì)的，所以安全性是有保障的。

問：這種設(shè)備距離你們期待的成熟產(chǎn)品還有多遠(yuǎn)？在電子學(xué)、硬件和移動(dòng)應(yīng)用方面還需要做哪些工作？

陳仁坤：這個(gè)項(xiàng)目的目的就是為了最終能商業(yè)化，我們?cè)谶@方面有很多考慮，也做了比較詳細(xì)的計(jì)劃和市場(chǎng)調(diào)研。

如果要推向市場(chǎng)的話，我們要調(diào)研各種不同的用途，在不同的人群或者不同的環(huán)境，比如說室內(nèi)或者室外，以及特定用戶的需求，然后根據(jù)這些需求設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品，比如做成類似夾克的衣服或者只是貼在人體的某些部位 。在硬件上，我們要進(jìn)一步集成電子軟件來提高器件的易用性。

問：你們對(duì)這款設(shè)備將來的商業(yè)化是怎么考慮的？已經(jīng)進(jìn)展到什么程度了？將來準(zhǔn)備怎樣推向市場(chǎng)？

陳仁坤：下一步就是怎么商業(yè)化， 具體的模式我們還在討論 。我關(guān)心的是怎樣能把它最快商業(yè)化，讓它盡快普及使用。

在一些媒體報(bào)道我們的研究之后，有一些潛在的用戶，特別是在醫(yī)療上有需求的用戶紛紛來詢問，也有一些公司比如做某些服裝的公司跟我們聯(lián)系，所以我會(huì)更詳細(xì)地去考慮以后進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化的路徑。

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）