私人订制：可穿戴的“空调”

曾有研究者在Plos Medicine 杂志上发表论文，证明高温真的可以使我们“热傻”：居住在无空调、温度更高的住所的年轻人，其认知功能明显受到影响，反应速度下降13%，对事件的处理能力也降低了10%左右 ^[1]。看来，不光手机、电脑的CPU过热会死机，人类的大脑也一样。

面对炎炎夏日，热浪铺天盖地，躲进空调屋中避暑是不二选择。不过有没有想过，空调让室内偌大的空间都凉爽下来，不过是仅仅满足了其中寥寥数人的需要，是不是有些浪费能源？事实上，建筑物制冷在世界各国都是能耗大户，这在各位家里夏天的电费单上能体现出来。那么，有没有办法让空调只对怕热的人类制冷呢？传统需要压缩机和制冷剂的空调技术显然做不到一点。近日，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）的陈仁坤（Renkun Chen）、徐升（Sheng Xu）等研究者研发出了一款可穿戴的“空调”，只需数分钟和少量能耗，就可让人无视周围的酷暑，保持皮肤在舒适的温度。

陈仁坤教授（左）、Sahngki Hong（中，第一作者）与徐升教授（右）与可穿戴“空调”。图片来源：David Baillot / UCSD ^[2]

该研究团队在Science Advances 杂志上报道的这种可穿戴的“空调”，实际上是可实现长期（>8小时）和高效（>10 ℃）温度调节的柔性热电器件（thermoelectric device，TED）。环境温度在22 ℃到36 ℃的范围内变化时，该可穿戴设备能以低能耗使皮肤保持在32 ℃的舒适温度。

这种可穿戴的“空调”有什么秘密呢？研究者采用了一种全新的设计，他们在双层弹性体之间加入刚性无机高热电优值（ZT）的热电（TE）柱，以及空气绝缘绝热层（下图A），并优化了宽高比和空间密度，同时最大限度地提高柔性和减少热泄漏，最终大大地提高了冷却性能。具体来说，利用商业热电材料，加工成1 mm × 1 mm × 5 mm的刚性柱，随后通过热响应粘合剂连接到柔性电极上，并将顶部和底部0.5 mm长的部分埋入载体基板上，排列成12 × 12阵列，相邻柱之间的间距为3 mm，具有良好的柔性。

柔性TED示意图。图片来源：Sci. Adv.

我们知道，热电材料可以用于热电发电，也可以用于热电制冷。由于以前没有任何关于热电设备在不使用热沉的情况下实现主动制冷的报道，研究者为了验证这种柔性TED的性能，先研究了其利用人体热量发电的性能，并将其与之前报道的柔性TED进行比较。当佩戴者在22 ℃的室内环境中静止时，最大开路电压（V_OC）为74.5 mV；在32 ℃的人体皮肤上使用，最大功率密度为4.5 μW cm^-2。相比较之前报道过的无热沉可穿戴热电发电器件，这种柔性TED刷新了发电功率密度的最高记录。

柔性TED发电测试。图片来源：Sci. Adv.

随后，研究者利用实验装置，向柔性TED施加-60至140 mA的电流，模拟人体在室内环境中的冷却和加热效果，正负电流可以分别实现升温或降温。在不同电流条件下，器件温度迅速变化，并在几分钟内达到稳定状态。当施加140 mA的电流时，可以在自然对流及辐射环境中实现7.3 ℃的稳态降温，持续时间可以长达8小时之久。研究者还测试了TED在风速为5 km h^-1的温和对流条件下的运行情况，模拟室外环境（例如步行）时的风速。测试表明，最大冷却温度大于13 ℃。

冷却和加热效果。图片来源：Sci. Adv.

为了展示人体皮肤的个性化温度调节，研究者将TED、温控电路、柔性电池集成到弹性尼龙带上制成可穿戴设备，并通过红外进行温度检测。受试者暴露在22 ℃到36 ℃的宽温度范围环境中，无论环境温度如何改变，TED在2分钟内达到设定值，将皮肤保持在舒适温度（32 ℃）。

人体皮肤个性化热调节。图片来源：Sci. Adv.

从左至右：柔性电池、温控电路、柔性TED。图片来源：David Baillot / UCSD ^[2]

“无论是在炎热的日子上下班，还是在办公室里觉得太冷，这种个性化装置都能将温度调到让人觉得舒适”，陈仁坤博士说。一个5 cm × 5 cm的柔性TED功率仅0.2瓦，研究者们预测一个“空调”背心大约需要144片这样柔性TED，这就意味着在炎热的夏天，保持一个人凉爽可能只需要不到30瓦，即使在极端的高温下，也只需要80瓦，这大约相当于笔记本电脑的功率。相比传统的空调系统数千瓦的功率，这无疑要节能得多。而且，这种可穿戴的设备还可以在室外使用，在烈日下也可避免挥汗如雨。陈教授补充说：“我们已经解决了基本问题，现在我们正在解决工程问题——电子、硬件并开发一个控制温度的APP。”

5 cm ×5 cm柔性TED。图片来源：David Baillot / UCSD ^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation

Sahngki Hong, Yue Gu, Joon Kyo Seo, Joseph Wang, Ping Liu, Y. Shirley Meng, Sheng Xu, Renkun Chen

Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aaw0536

参考文献：

1. Reduced cognitive function during a heat wave among residents of non-air-conditioned buildings: An observational study of young adults in the summer of 2016, PLOS Medicine, 2018, DOI: 10.1371/journal.pmed.1002605

https://journals.plos.org/plosmedicine/article?id=10.1371/journal.pmed.1002605 

2. Wearable cooling and heating patch could serve as personal thermostat and save energy

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

（本文由小希供稿）

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