人体必须保持在一定的温度范围内，才能保持舒适和安全。然而，对于恶劣的应用场景，如全昼夜循环、寒冷的极地地区和太空旅行，设计温度调控服装存在挑战。
在此，南开大学陈永胜教授、刘永胜教授和马儒军教授等人通过集成柔性有机光伏 （OPV） 模块直接从阳光和双向电卡（EC）设备获取能量，开发了一种柔性且可持续的个人体温调节服装系统。柔性OPV-EC体温调节服 （OETC） 可以将人体热舒适区从 22°–28°C 扩展到 12.5°–37.6°C，并具有快速的体温调节速率。EC器件的低能耗和高效率允许24小时可控双模式温度调节，并具有12小时的太阳光能量输入。该自供电可穿戴体温调节平台结构简单，设计紧凑，效率高，以太阳光为唯一能源，自适应性强。
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服装在调节体温方面起着不可或缺的作用，以保持人们身体在日常生活中的热舒适性。最常见的情况之一是在环境温度波动且有时快速变化的情况下将体温保持在安全范围内，例如，从舒适的室内环境（~25°C）走到炎热（>36°C）或寒冷（<15°C）的室外环境。如果没有能力快速适应这种快速变化的环境温度并降温或升温，人们可能会变得不舒服或生病，甚至可能死亡。更具挑战性的场景是在恶劣的环境中将身体保持在舒适的温度范围（皮肤温度），例如寒冷的极地地区或太空旅行（在阳光下非常热，但在黑暗中非常冷）。因此，能够像宇航服一样将人体保持在舒适温度范围（皮肤温度）的可穿戴体温调节服装一直是智能服装系统长期寻求但具有挑战性的目标。
事实上，已经开发了许多体温调节系统，这些系统大致可分为被动和主动系统。被动体温调节系统包括辐射体温调节系统、相变体温调节系统和吸附体温调节系统。 然而，大多数由具有自可持续性的太阳能供电的系统只能实现单向温度调节。具有双向温度调节的系统需要提高其效率、响应速度和可调温度范围（皮肤温度）。
主动体温调节系统允许人体快速冷却或加热。一般来说，基于冷却液循环或水/冰流体通道的冷却背心，可实现可穿戴的体温调节；然而，这些系统需要大型而复杂的机械压缩机。 尽管已经开发出一些出色的固态主动温度调节系统，并且可以消除对压缩机和传统液体或蒸汽制冷剂的需求，但它们仍然存在一些实质性的局限性。尽管基于电池的温度调节系统可以在短时间内实现良好的热管理性能，但其有限的能量供应无法为人体提供全天和持续的温度调节。
因此，开发一种能够快速响应各种复杂或快速的环境温度变化并将人体保持在舒适温度区的全天、自供电、双向体温调节服装系统仍然是一个具有挑战性的目标。
为了实现所需的可持续性和柔性以及重量轻，身体的热管理单元必须能够高效地传递能量并具有低能耗。作者选择了最近开发的电卡（EC）器件，这些器件具有高效率、低能耗和双向温度调节特性，并且无污染。
同时，选择由太阳光供电的柔性OPV模块和高效传热EC装置作为两个主要单元，以制造自给自足的体温调节服装系统，目标是仅通过太阳能为其供电，并能够在热/光和冷/暗环境之间全天（24小时）循环，柔性的OPV-EC温度调节服（OETC）系统根据需要在冷却和加热模式下都表现出高效和快速的性能。此外，它还可以将热舒适区延长19.1K（从6.0K到25.1K），并根据需要达到人体智能可控的全天双模式体温调节。通过这些功能的结合，佩戴OETC系统的人体可以根据需要快速适应户外活动期间的环境温度变化，甚至可能在极地地区或个人太空旅行等恶劣环境中适应。
图1. 工作模式时，佩戴柔性OETC，在热（阳光）和冷（黑暗）环境之间的循环中实现个人的热舒适
本文制作了一个大型柔性OPV模块，厚度仅180毫米，用于OETC系统中的阳光收集单元。在标准空气质量为1.5全球（AM 1.5G，100 mW/cm2）下，有效面积为25.2 cm2的整个柔性OPV模块可提供5.75 V的总电压，PCE为11.85%。对于OETC中的温度调节单元，作者选择了聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]，主要源于其熵变大，接近室温的绝热温度变化大，具有良好的机械柔韧性。基于[P(VDF-TrFE-CFE)]的EC系统在有效的温度调节方面具有巨大的潜力。值得注意的是，柔性EC器件表现出与刚性器件相同的热管理性能。
本文展示了由一个OPV模块和两个EC单元组装的柔性OETC温度调节系统的照片（图 2A），这种紧凑的组装模式可以根据需要为人体提供有效的冷却/加热，OETC系统在冷却模式下的工作机制（图2B）与电源供电的工作机制相同。冷却模式包括以下步骤：（i）EC聚合物堆向顶部柔性传热层（作为具有大热容量的散热器）静电驱动；（ii）通过在EC聚合物堆上施加电场来加热EC聚合物堆，从而将热量从EC聚合物堆传递到柔性传热层（图2B）；（iii）EC聚合物堆栈朝向人体底部皮肤的静电驱动（作为热源）；（iv）通过消除电场使EC聚合物堆栈冷却，从而将热量从人体皮肤传递到EC聚合物堆栈，以实现一个循环的皮肤冷却。
对于升温模式，升温是通过改变上述四个步骤的顺序将传热改变到相反方向，简单地调整方波电压的相位来实现的。相应地，加热模式与冷却模式具有相似的步骤，但具有相反的传热效果：（i）EC聚合物堆栈的静电驱动，朝向需要加热的底部人体皮肤；（ii）通过在EC聚合物堆上施加电场来加热EC聚合物堆，从而将热量从EC聚合物堆叠传递到人体皮肤（作为散热器）；（iii）EC聚合物堆向顶部柔性传热层（作为热源）的静电驱动；（iv）EC聚合物堆栈通过消除电场而冷却，从而从柔性传热层传递到EC聚合物堆栈，以完成一个皮肤加热循环。通过这两种工作模式，可以根据需要实现双向可控的冷却和加热温度调节。
图4. OETC与棉质服装的调温性能及个人太空旅行的前景
综上所述，本文开发了一种先进的自供电可穿戴体温调节系统，将柔性OPV模块和EC 体温调节单元集成在一起，以实现高效的个性化体温调节。其主动控制功能可根据人体需要进行快速降温/升温双模式温度调节。此外，通过OETC可以快速调温，将热舒适区从6.0K扩展到25.1K，可以保证人体在各种复杂不稳定环境中的安全和舒适。得益于EC器件的低能耗，OETC可以实现可控的全天双模温度调节。结合其结构简单紧凑、效率高、自适应性强等突出特点，相信通过进一步优化，OETC可以在高端温度调节领域展现潜在的应用，甚至可以扩展人类在极地、个体太空行走等恶劣环境下的生存能力。
Ziyuan Wang†, Yiwen Bo†, Peijia Bai, Shuchao Zhang, Guanghui Li, Xiangjian Wan, Yongsheng Liu*, Rujun Ma*, Yongsheng Chen*, Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654
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