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作者：南山

可以說，适宜的環境溫度在人體舒适和健康方面起着至關重要的作用，但是其維持能耗非常高昂。僅建築物的溫度調節就占到目前占全球總能耗的10％以上。特别是随着經濟的快速發展，溫度調節所需要的能耗也越來越多，占比也越來越大。如惡略環境下駕駛汽車，約40%左右的能演都用于汽車内部的溫度調節了。

為了進一步降低溫度調節的功耗，目前的研發主要集中在開發高效環保的溫度調節技術，諸如優化空調功率，提高效率。然而，傳統的空調模式需要對整個環境空間進行溫度調節，考慮到使用者所需體積非常小，因此浪費了大量的能量。此外，每個人的溫度體感不同，因此難以設定整個建築物或内部空間的溫度以确保所有使用者的舒适性。

為了避免傳統模式所帶來的資源浪費和難以針對性調節的缺點。近期，針對個人的可定制化的體溫調節裝置引起了研究者的極大興趣。與傳統環境溫度調節方式相比，針對個人作為目标斑點，可以根據需求精确進行溫度調控，能夠極大降低能源消耗。當然，傳統的溫控系統具有覆蓋空間大，冷卻/加熱效率高等優點，适用于人群密集的大型建築物中，或者會明顯偏離正常值的環境溫度進行調節。然而，當需要冷卻/加熱的人數較少，需定制化溫度調節，或者在室外環境下，這種個性化的溫度調節裝置具有更适合的應用場景。

目前個性化溫度調節裝置比較成熟的是加熱系統。如利用金屬納米線網，石墨烯材料做的智能加熱服就是個性化體溫調節裝置的一個顯著例子，并且已經取得了良好的市場反饋。然而，主動冷卻服裝尚未有成熟的解決方案，因此開發更具迫切性和挑戰性。現有大多數的冷卻裝置體積龐大且難以整合到服裝中。如，市售的冷卻裝置主要是通過冰水或低溫冷卻液等低溫材料在服裝内部的循環流動實現物理降溫，然而其冷卻效率難以精确調節。為了解決這些缺點，目前的研究主要集中在固态制冷技術，如電熱，磁熱和熱電（TE）等方式。盡管進行了大量的研究，但具有高冷卻性能的可穿戴設備仍未實現。最近，有文獻報道使用小型的熱電裝置中可以實現主動式的降溫，不過溫度下降僅有1.4°C。

全固态的熱電裝置（TED）具有體積小，柔性輕薄，且冷卻功率可調節等優勢，因此特别适用于個人的體溫調節。盡管柔性TED已經廣泛應用于可穿戴設備中，然而這些設備大多隻利用身體熱量進行發電，或是利用水凝膠或者風扇等笨重的散熱設備進行溫度調節，效率有限。可穿戴TED設備原則上可用于冷卻，但實現主動冷卻（即，将熱量從冷側傳遞到熱側）的要求基本上更嚴格。能夠發電的可穿戴TED不一定适合主動冷卻； 此外，輸送到熱側的熱量必須有效地散發到環境中。從根本上說，用于散熱的熱電器件不但需要具有較高的熱電效率，還需要具有合理的散熱設計。此前一些的關于可穿戴的TED僅顯示了發電能力；然而，還沒有表現出持續主動冷卻性能。這主要是因為柔性TE材料的熱電效率比較低，且散熱結構沒有經過優化。

近期，加州大學聖地亞哥分校的科學家和工程師成功解決了上述挑戰，設計并演示了第一款長期（> 8小時）和高效的（> 10°C）主動冷卻效果的柔性可穿戴TED。與傳統的可穿戴TED相比，這次制備的TED器件是在可拉伸的彈性體片材之間夾入無機剛性納米柱，并且憑借創新性的散熱設計，在不使用任何材料的情況下展現出超過10°C的高效冷卻效果。采用這種方式制備的柔性TED在用作體熱發電機時的功率輸出明顯高于以前報道的TED器件。此外這種TED器件還可以整合到可穿戴服裝中。集成有該設備的服裝可以在22°至36°C不同的環境溫度下，使皮膚保持在32°C的舒适溫度。

圖 1 TED設計和制造工藝。（A）具有冷卻功能的可穿戴TED示意圖（左），以及可穿戴TED的内部結構（右），TE柱由柔性銅電極連接，夾在兩個可拉伸薄膜之間。（B）制備的5厘米×5厘米柔性TED的照片。（C）TED結構示意圖。TED内部的低熱傳導和可拉伸薄膜的高熱傳導是用于實現冷卻效果的關鍵設計。（D）示意圖和照片顯示了TED具有良好的彎曲柔性。（E）采用有限元模拟方式比較了雙層和單層設計柔性TED器件的Gted和彎曲剛度與TE柱高度的關系曲線。（F）TED的制造過程示意圖。

圖2 TED的發電性能以及主動冷卻的影響關系。（A）用于監測人體皮膚發電的測量裝置的示意圖。将TED連接到佩戴者的手臂上，使用不同負載測量輸出的電壓和電流。（B）在不同熱環境下，輸出功率與輸出電壓的函數關系。（C）不同溫差環境下的最大輸出功率曲線示意圖。（D）目前報道的不同的可穿戴TED的輸出功率和VOC的性能列表。（E）冷卻效率（Peltier effect，黑色）和輸出功率（塞貝克效應，藍色）與GTED的關系示意圖和模拟曲線。

圖3 冷卻和加熱性能。（A）實驗室級别的冷卻/加熱測量裝置。為了模拟人的典型代謝率，将加熱器的加熱功率固定在87Wm-2。（B）TED設備的冷卻/加熱效應。（C）長時間（8小時）的可持續冷卻效果，電流為140 mA。（D）在自然對流的TED操作期間溫度變化（黑色）和性能系數（COP）（藍色）曲線。最高溫度降低為7.3°C。（E）中等強度下的強制對流條件下的TED的溫度變化曲線。最高溫度降低超過13.6°C。（F）彎曲半徑（r）為30和40 mm的冷卻/加熱效果，顯示與未彎曲狀态基本沒有明顯變化。（G）使用TED設備進行的人體皮膚溫度調節的示意圖。（H）體溫調節測量結果。PDMS的表面溫度可以通過TED冷卻和加熱保持恒定溫度。

圖4 TED器件再人體皮膚溫度調節情況。（A）TED臂帶的照片和示意圖。佩戴者的手臂處于可控熱環境中。（B）不同的溫度條件下，佩戴TED前後的體表溫度T的變化情況。沒有佩戴TED時，當空氣溫度從 22°變化到36°C，皮膚溫度從28.5°C變化到34.3°C。佩戴上TED設備後，皮膚表面的溫度在環境條件下收斂到預設的舒适溫度（32°C）。（C）冷卻過程中TED臂帶（熱側）的紅外圖像（I= 160 mA）。（D）去除TED臂帶後的皮膚的IR圖像，顯示出殘留的冷卻效果。（E）對比了有和無TED設備情況下的，皮膚溫度與空氣溫度的數據總結。TED設備的存在，可以使得室内舒适溫度從28℃-30℃，擴展到22℃-36℃。（F）将柔性電池與TED設備集成一起的佩戴設備。（G.）三種不同條件下的TED冷卻效果：（1）室内靜坐，（2）在室内行走，（3）在溫和的風力條件下到戶外散步。最大皮膚冷卻效果為6°C。

參考文獻：

Wearablethermoelectrics for personalized thermoregulation，SahngkiHong, Yue Gu, Joon Kyo Seo, Joseph Wang,Ping Liu, Y. Shirley Meng，Sheng Xu, Renkun Chen. Sci.Adv. 2019; 5: eaaw0536.

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