热电离子柱

一件薄薄的背心就能让人度过炎热的夏天和寒冷的冬天,这将很快不再是科幻小说。

根据最近在科学进展发表的一项研究,来自加州大学圣地亚哥分校的陈仁坤和徐盛开发了一种可穿戴式恒温器:你可以在短短几分钟内从极度炎热和寒冷中回到舒适的环境。

调温10度,只需2分钟

众所周知,室内采暖和制冷是能耗大户,占全球总能耗的10%以上。要知道,人体的代谢功率只有100瓦到150瓦,而采暖、通风和//K0/]调节的人均能耗却高达1500瓦左右,这意味着能源的巨大浪费。此外,对于消防员、建筑工人等户外工作者来说,完全避免高温中暑是不可能的。

因此,可穿戴式温控设备成为了一种替代方案:既能节约能源,又能方便人们的户外活动。

然而,缺乏具有可持续温度调节的柔性可穿戴热电装置。虽然在空可调节设备中可以实现主动冷却,即热量可以从冷侧泵送到热侧,但这种设备的小型化非常具有挑战性,因此开发一种可穿戴设备非常具有挑战性。大多数现有的冷却装置体积庞大,难以集成到衣服中。比如市面上的降温背心,配备的是循环冷却液,不仅体积大,而且降温功率不可调。

因此,热电装置已经成为一种流行的解决方案,因为它们是固体的,可以小型化,并且容易调节冷热。然而,由于材料特性,现有的热电恒温装置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克服了上述问题。

热电离子柱插图

可穿戴恒温器的原型。照片:David bail lot/加州大学圣地亚哥雅各布工程学院。

恒温器原型的柔性电池(左)、柔性电路(中)和柔性夹子(右)。照片:David bail lot/加州大学圣地亚哥雅各布工程学院。

柔性显示屏。照片:David bail lot/加州大学圣地亚哥雅各布工程学院

热电恒温器的设计与制造。(a)带有可穿戴式热电恒温器的服装示意图(左)。恒温器内部结构,热电柱由柔性铜电极连接,夹在两个可拉伸的夹子之间(右)。(b)5厘米×5厘米弹性贴片的照片。(c)设计示意图。(d)展示灵活的示意图和照片。可拉伸夹子的双层设计增强了灵活性。在弯曲过程中,顶部的铜电极伸展,底部收缩。(e)热电材料的导热性(GTED)(F)恒温器制造工艺(详见材料和方法)。资料来源:加州大学圣地亚哥分校。

通过控制正负电流,人体恒温贴片可使皮肤降温或升温达10摄氏度,可使用8小时以上。

这是一种具有主动冷却的可穿戴式热电装置,主要由热电柱、柔性铜电极和可拉伸夹子组成。灰色热电柱由碲化铋热电合金材料制成,焊接在柔性铜电极上,多个铜电极焊接装置夹在可伸缩的弹性夹之间。

这个弹性夹是特别设计的,由氮化铝粉末和硅胶制成。由于氮化铝是高导热材料,而橡胶是柔性的,这就使得弹性夹同时具有高导热和柔性。这样,这种恒温贴片就可以贴在人体皮肤上,在两个弹性体之间传递电热。

当有电流流过热电柱(碲化铋合金)时,会带动热量流动,使节温器弹性夹的一侧升温,另一侧降温。通过控制正负电流,可以对皮肤进行冷却或加热,使人体始终处于适宜的温度。

本发明相当于一个可移动的空调节装置,但更节能、更方便。研究人员将该设备设计成臂带形状,可以轻松佩戴。

该项目负责人、加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系副教授陈仁坤表示,当温度在20摄氏度至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,在严冬的时候,这个恒温器是可以产生升温的效果的。没有这个恒温器,32度的皮肤温度对应的是室温29度的环境感受。所以通过这个装置,我们把等效室温调整了7到10摄氏度(从36度到29度,或者从19度到29度)。

每个恒温贴片的长度和宽度为5厘米,功耗约为0.2瓦。陈仁坤估算,做一个温控器大概需要100个这样的器件,耗电26瓦左右,比打开空需要的功率要节能很多。

一个集成式创新

如果戴上这个恒温器能让人在各种温度下都感到舒适,那么人们可以离开空音。这样可以节省70%的能源。

除了解决户外工作的烦恼,这些设备还可以用于医疗护理,例如发烧、烧伤和神经系统疾病的患者。

目前,该团队正在继续研究电子和机械问题,并开发移动应用程序来控制温度。项目负责人陈仁坤博士接受了DeepTech的专访。

DeepTech:你的团队一直从事温度调节智能服装的研发。2015年有报道说你研发了智能服装。与之前的研究相比,目前的研究有哪些进展?

陈仁坤:我们实验室主要做传热方面的研究,比如各种器件如何散热,也研发一些新材料把热能转化为电能,比如太阳能器件。我们大约一半的精力用于应用,另一半用于更基础的科学研究,比如纳米尺度上的热传导或热辐射的研究。

我们今天的发明是2015年开始的项目。2015年,我们拿到了能源部的项目,研发智能衣服。团队里其他人负责制作智能纤维材料,我和几个同事专门负责主动降温的热电器件。

当时我们有一些热电器件和一些初步的实验数据,说明这项研究在科学原理和技术上是可行的,但是我们还没有做出这个样机,用了三年多的时间才有今天的结果。

今天,这项发明已经不是材料科学的创新了。其实我们在材料上还是用的比较传统的热电材料。我们的主要创新是将传统材料整合到柔性设备中,可以直接贴在人体皮肤上。可以说这是一项综合发明。

DeepTech:你们研究团队的分工是怎样的?

陈仁坤:我的同事,来自加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的徐盛博士一直在开发用于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,所以有很多讨论和合作。这个可穿戴恒温器是我们合作的第一个成果。同时,我们的成绩也得益于电池领域同仁的贡献。

我的研究团队在这个项目中主要是设计材料和器件的尺寸,使各方面都能满足传热和冷却的需要。徐盛博士的团队创新性地用本身并不柔软的材料制作了柔性装置。同样,我的同事孟雪莉和刘平也擅长制作电池。他们开发了柔性电池,所以我们可以想象未来这种恒温器和电池可以集成到衣服或夹克中。约瑟夫·王擅长制作可穿戴传感器。

DeepTech:如果做成衣服,这个电池是怎么装的?安全有保障吗?

陈仁坤:我们提到了两种可能。一个是我们项目组做柔性电池。我们现在做的和纽扣电池差不多,柔性电池也可以集成到衣服里,只是集成的位置和我们的热电器件不一样。例如,电池可以安装在侧面或口袋中。

还有一种可能,类似于充电宝,可以放在书包或者口袋里,和热电设备完全分开。

至于安全。其安全性接近手机电池,电压不高,电流可设计,安全性有保障。

DeepTech:这个设备离你期待的成熟产品还有多远?电子、硬件、移动应用需要做什么?

陈仁坤:这个项目的目的是最终实现商业化。这方面我们有很多考虑,也做了详细的规划和市场调研。

如果要投放市场,就要调查不同的用途,比如室内还是室外,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个部位。在硬件上,要进一步整合电子软件,提高设备的易用性。

DeepTech:你怎么看这个设备未来的商业化?进展到什么程度了?未来你打算怎么营销?

陈仁坤:下一步是如何商业化。具体模式我们还在讨论。我关心的是如何尽快商业化,尽快广泛应用。

在一些媒体报道了我们的研究后,一些潜在用户,特别是有医疗需求的用户前来询问,一些公司与我们联系,比如做某种服装的公司,所以我会更详细地考虑进一步发展和商业化的路径。

通信作者简介

陈仁坤是加州大学圣地亚哥分校机械与航空空航空航天工程系的副教授。他目前的研究重点是能源生产和消费中的传热,同时开发微米和纳米尺度的热能转换、储存和管理的材料和设备。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系助理教授徐盛开发了用于医疗保健和能源应用的高级可穿戴电子系统。2018年,徐盛被《麻省理工科技评论》评为35岁以下35大创新者之一。

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