2分钟降温10度续航8小时：一款可穿戴恒温器是若何实现的

《科学进展》（Science Advances）近日揭橥的研究显示，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着的恒温装备：只需数分钟，你就可以从酷暑寒冷回到舒适环境中。

众所周知，室内供暖和制冷是能耗大户，占到环球总能耗的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、透风和空调能耗功率却高达1500瓦旁边，这就意味着巨大的能源摧残浪费蹂躏。
此外，对付户外事情者如消防员和建筑工人而言，又无法完备避开高温和中暑。

于是，可穿着的调温装备成理解决方案备选：既能节省能源，还能更方便人们室外活动。

但一贯以来缺少可持续调温的柔性可穿着热电设备。
虽然能在空调设备中实现主动冷却，也便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拓有很大的寻衅性。
大多数现有的冷却装置体积弘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由于材料性能缘故，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占领了上述难题。

可穿着恒温器的原型。
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）具有可穿着热电恒温器服装的示意图（左）。
恒温器内部构造，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巧性。
在波折期间，顶部铜电极拉伸，而底部紧缩。
（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掌握电流的正反流向，可以给皮肤进行幅度高达10摄氏度的降温或升温，并且可以利用超过8个小时。

这是一款主动冷却的可穿着热电装置，紧张由热电柱、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。

这种弹性夹片则经分外设计，由氮化铝粉末与硅胶结合制成。
由于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。
通过掌握电流的正反，可以给皮肤降温或升温，从而使人体始终处于适宜的温度。

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

项目卖力人、美国加州大学圣地亚哥分校机器与航天工程系副教授陈仁坤先容说，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，在隆冬，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度的环境感想熏染。
“以是我们通过这个器件，相称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，功率利用约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。

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。
这会省却70%的能源。

除理解决户外事情烦恼，这些装置还可以用于医疗照顾护士，例如用于发热、烧伤和神经系统疾病的患者。

目前，团队正连续研究电子和机器方面的问题，并开拓掌握温度的移动端运用程序。
项目卖力人陈仁坤博士接管了DeepTech专访。

DeepTech：你们团队一贯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宣布，与之前的研究比较，现在的研究有什么进展？

陈仁坤：我们实验室紧张是做传热方面的研究，比如说各种器件如何散热，还有便是开拓一些新的材料，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运用上面，其余一半是在更根本的科研上，比如说在纳米尺度上的导热或热辐射的研究。

我们本日的发明便是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。
团队里别人卖力做智能的纤维材料，我和几个同事详细卖力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，解释这个研究在科学事理上和技能上都是可行的，但是我们还没有把这个原型做出来，做了三年多才有本日的结果。

本日这个发明并非材料学的改造，实在我们在材料上还是用的比较传统的热电材料。
我们紧张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若何的？

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贯在开拓医疗保健和能源运用的可穿着电子设备，由于我们是一个学校的，以是有比较多的谈论和互助，这次的可穿着恒温器是我们互助的第一个成果。
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紧张设计材料和器件的尺度，让各方面知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善于做电池，他们开拓了柔性电池，以是我们往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则善于做可穿着传感器。

DeepTech：如果做成衣服，这种电池是若何安装的？安全性有保障吗？

陈仁坤：我们提到两个可能性，一个便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，它和热电装置是完备分开的。

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

DeepTech：这种设备间隔你们期待的成熟产品还有多远？在电子学、硬件和移动运用方面还须要做哪些事情？

陈仁坤：这个项目的目的便是为了终极能商业化，我们在这方面有很多考虑，也做了比较详细的操持和市场调研。

如果要推向市场的话，我们要调研各种不同的用场，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？将来准备若何推向市场？

陈仁坤：下一步便是怎么商业化， 详细的模式我们还在谈论 。
我关心的是若何能把它最快商业化，让它尽快遍及利用。

在一些媒体宣布我们的研究之后，有一些潜在的用户，特殊是在医疗上有需求的用户纷纭来讯问，也有一些公司比如做某些服装的公司跟我们联系，以是我会更详细地去考虑往后进一步发展和商业化的路径。

通讯作者先容

陈仁坤 ，加州大学圣地亚哥分校机器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，同时在微不雅观和纳米尺度上开拓用于热能转换、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，他开拓了用于医疗保健和能源运用的前辈可穿着电子系统。
2018年，徐升被《麻省理工科技评论》评为环球35名35岁以下的顶级创新者之一。