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2分钟降温10度,续航8小时:一款可穿戴恒温器是如何实现的

北极蚊子 2019-5-28 17:25

一件薄薄的马甲就可以让人度过酷暑寒冬,这将很快不再是科幻。

《科学进展》(Science Advances)近日发表的研究显示,来自美国加州大学圣地亚哥分校的陈仁坤和徐升团队研发出了一款可穿戴的恒温装备:只需数分钟,你就可以从酷暑严寒回到舒适环境中。

调温10度,只需2分钟

众所周知,室内供暖和制冷是能耗大户,占到全球总能耗的10%以上。要知道,人体代谢的功率只有100瓦到150瓦,而人均采暖、通风和空调能耗功率却高达1500瓦左右,这就意味着巨大的能源浪费。此外,对于户外工作者如消防员和建筑工人而言,又无法完全避开高温和中暑。

于是,可穿戴的调温装备成了解决方案备选:既能节省能源,还能更方便人们室外活动。

但一直以来缺乏可持续调温的柔性可穿戴热电设备。虽然能在空调设备中实现主动冷却,也就是可以将热量从冷侧泵送到热侧,但这种设备的小型化以至于便于佩戴的装置开发有很大的挑战性。大多数现有的冷却装置体积庞大且难以整合到服装中,比如市售的冷却背心装有循环冷却剂,不仅笨重,而且其冷却功率不可调节。

于是热电装置成了热门方案,因其是固体,可以小型化,并且冷热易于调节。不过已有的热电恒温装置因为材料性能缘故,没有表现出可持续的主动冷却性能。

加州大学圣地亚哥分校团队的发明攻克了上述难题。

可穿戴恒温器的原型。图:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering。

恒温器原型的柔性电池(左)、柔性电路(中)和可传热的柔性夹片(右)。图:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering。

柔性展示。图:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

图 热电恒温器的设计和制造。(A)具有可穿戴热电恒温器服装的示意图(左)。恒温器内部结构,热电柱由柔性铜电极连接,夹在两个可拉伸夹片之间(右)。(B)5厘米×5厘米弹性贴片的照片。(C)设计示意图。(D)显示柔性的示意图和照片。可拉伸夹片的双层设计增强了灵活性。在弯曲期间,顶部铜电极拉伸,而底部收缩。(E)热电材料的热导(GTED)(F)恒温器的制造过程(详见材料和方法)。来源:Sahngki Hong, University of California, San Diego.

这种人体恒温贴片通过控制电流的正反流向,可以给皮肤进行幅度高达10摄氏度的降温或升温,并且可以使用超过8个小时。

这是一款主动冷却的可穿戴热电装置,主要由热电柱、柔性铜电极和可拉伸夹片构成。灰色的热电柱利用碲化铋热电合金材料所制成,并焊接至柔性铜电极上,多个铜电极焊接装置一并被夹在可拉伸的弹性夹片之间。

这种弹性夹片则经特殊设计,由氮化铝粉末与硅胶结合制成。因为氮化铝是一种具有高导热性的材料,而橡胶具备柔韧性,这就让弹性夹片兼具了高导热和柔韧性。这样的话,这款恒温贴片就可紧贴人体皮肤,将电热在两片弹性体间进行传输。

当有电流流过热电柱(碲化铋合金)时,会带动热量流动,使恒温器弹性夹片的一侧升温,另一侧降温。通过控制电流的正反,可以给皮肤降温或升温,从而使人体始终处于适宜的温度。

这个发明相当于是一款可移动的空调装置,只是更节能、更便捷。研究人员将装置设计成臂章造型,可轻便佩戴。

项目负责人、美国加州大学圣地亚哥分校机械与航天工程系副教授陈仁坤介绍说,当气温在20摄氏度到36摄氏度之间时,该装置可以在2分钟内将皮肤温度保持在32摄氏度。32摄氏度被认为是皮肤的舒适温度。当然,在严冬,这款恒温器可以产生发热升温的功效。如果没有这个恒温器,皮肤温度32度对应的是室温29度的环境感受。“所以我们通过这个器件,相当于把等效室温调节了7到10摄氏度 (从36度调到29度, 或者从19度调到29度)”。

每片恒温器贴片的长宽为5厘米,功率使用约0.2瓦。陈仁坤估计,制作一件体温调节器约需100片这样的装置,耗电约26瓦,比开空调所需的电力要节能很多。

一个集成式创新

如果穿上这个恒温设备,能让人在各种温度下均感舒适,人们就可以离开空调了。这会省掉70%的能源。

除了解决户外工作烦恼,这些装置还可以用于医疗护理,例如用于发烧、烧伤和神经系统疾病的患者。

目前,团队正继续研究电子和机械方面的问题,并开发控制温度的移动端应用程序。项目负责人陈仁坤博士接受了DeepTech专访。

DeepTech你们团队一直在从事体温调节的智能服装研发,2015年就有你们研发智能服装的报道,与之前的研究相比,现在的研究有什么进展?

陈仁坤:我们实验室主要是做传热方面的研究,比如说各种器件如何散热,还有就是开发一些新的材料,从热能转化成电能,比如太阳能器件。我们有大概一半的精力是在应用上面,另外一半是在更基础的科研上,比如说在纳米尺度上的导热或热辐射的研究。

我们今天的发明就是2015年所开始的项目。2015年我们拿到一个能源部项目,目的是研发智能服装。团队里别人负责做智能的纤维材料,我和几个同事具体负责主动降温的热电器件。

当时我们已经有了一些热电器件,有一些初步的实验数据,说明这个研究在科学原理上和技术上都是可行的,但是我们还没有把这个原型做出来,做了三年多才有今天的结果。

今天这个发明并非材料学的革新,其实我们在材料上还是用的比较传统的热电材料。我们主要的创新点是把传统的材料集成到了柔性器件里面,它可以直接贴到人的皮肤上面。可以说,这是一个集成式的发明。

DeepTech你们这个研究的团队分工是怎样的?

陈仁坤:我的同事,加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的徐升博士一直在开发医疗保健和能源应用的可穿戴电子设备,因为我们是一个学校的,所以有比较多的讨论和合作,这次的可穿戴恒温器是我们合作的第一个成果。同时我们这个成果也非常受益于在电池领域的组内同事的贡献。

我的研究小组在这个项目里主要设计材料和器件的尺度,让各方面满足传热和冷却的需求。徐升博士的团队创新性地把一些本身不是软的材料做成柔性器件。 同样,我的同事 Shirley Meng和Ping Liu擅长做电池,他们开发了柔性电池,所以我们以后可以想象这个恒温器和电池都可以集成到衣服或者夹克里面。Joseph Wang则擅长做可穿戴传感器。

DeepTech:如果做成衣服,这种电池是怎样安装的?安全性有保障吗?

陈仁坤:我们提到两个可能性,一个就是我们项目团队做柔性的电池,我们现在做的是类似纽扣电池,而柔性电池也可以集成到衣服里面,但它集成的位置跟我们的热电装置位置不一样,比如说电池可以装在侧面或者是口袋里。

还有一个可能性,类似于充电宝,可以放在书包或衣兜,它和热电装置是完全分开的。

至于安全性。它的安全性跟手机电池是接近的,其电压不高,电流的大小是可以设计的,所以安全性是有保障的。

DeepTech:这种设备距离你们期待的成熟产品还有多远?在电子学、硬件和移动应用方面还需要做哪些工作?

陈仁坤:这个项目的目的就是为了最终能商业化,我们在这方面有很多考虑,也做了比较详细的计划和市场调研。

如果要推向市场的话,我们要调研各种不同的用途,在不同的人群或者不同的环境,比如说室内或者室外,以及特定用户的需求,然后根据这些需求设计不同的产品,比如做成类似夹克的衣服或者只是贴在人体的某些部位 。在硬件上,我们要进一步集成电子软件来提高器件的易用性。

DeepTech:你们对这款设备将来的商业化是怎么考虑的?已经进展到什么程度了?将来准备怎样推向市场?

陈仁坤:下一步就是怎么商业化, 具体的模式我们还在讨论 。我关心的是怎样能把它最快商业化,让它尽快普及使用。

在一些媒体报道我们的研究之后,有一些潜在的用户,特别是在医疗上有需求的用户纷纷来询问,也有一些公司比如做某些服装的公司跟我们联系,所以我会更详细地去考虑以后进一步发展和商业化的路径。

参考文献:

http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2788

https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaaw0536

通讯作者介绍

陈仁坤 ,加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系副教授,他目前的研究重点是在能源生产和消费中的热传输,同时在微观和纳米尺度上开发用于热能转换、存储和管理的材料和设备。

徐升,加州大学圣地亚哥分校纳米工程系助理教授,他开发了用于医疗保健和能源应用的先进可穿戴电子系统。2018年,徐升被《麻省理工科技评论》评为全球35名35岁以下的顶级创新者之一。

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