从学术研究到生产成衣只用3年!徐伯均设计双重功能纺织材料,保暖、降温一件搞定|专访

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从学术研究到生产成衣只用3年!徐伯均设计双重功能纺织材料,保暖、降温一件搞定|专访
麻省理工科技评论 2021-01-06

2021-01-06

像手机可以控制电灯一样,有一天手机也可以控制衣服,让衣服有不一样的功能。
科学
像手机可以控制电灯一样,有一天手机也可以控制衣服,让衣服有不一样的功能。

如今人们不再畏惧寒冬酷暑,寒冷的冬天“猫”在暖气房中看雪,炎热的夏季坐在冷气间里观花……而营造冬天不冷夏天不热室内环境的背后,却是巨大的能量消耗。

当下,在满足人们体感舒适的同时,建筑物的空调耗能已经成为亟待解决的问题。此前有能源专家预计,到本世纪中叶,全球空调耗电将达到总电力需求的 12% 甚至以上。

从学术研究到生产成衣只用3年!保暖、降温可一件搞定

图 | 悬挂空调室外机的楼体(来源:pixabay)

对此,杜克大学机械工程与材料科学系助理教授徐伯均提出 “个人化辐射热管理” 方案并开发了具备保暖制冷双重功效的可穿戴材料,无需能量输入即可实现在低温环境中保暖、炎热中降温的效果,料体纤薄并具有很好的透气性、防水性。

未来,他还希望通过这一方案实现可穿戴材料的智能化控制,“就像现在手机可以控制电灯、微波炉一样,有一天手机也可以控制你的衣服,让衣服有不一样的功能。”

据了解,上述研究成果及进展已先后发表于 Science、Science Advances 等国际顶刊上,徐伯均也因此成功入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。

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图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者徐伯均

调节人体辐射热散失,实现体感温暖 / 凉爽

人类体感温度舒适可以通过两方面营造,一是改变人体小环境,增减衣物最为直接;二是改变所处大环境,室外温度我们无法改变,室内情况下可以通过暖气、空调等设备对整个空间的温度进行调节,进而达到人体舒适。

相比于当前将整个建筑物空间加热、制冷的方法,徐伯均提出的个人化辐射热管理把加热、制冷的范围缩小到人体本身。他表示,“个人化辐射热管理” 方案仅通过对人体及其周围小范围环境进行加热或冷却,就能够实现更高的能源使用效率。

对于个人化辐射热管理,他向 DeepTech 进一步解释说,这是一种通过调整辐射热的散发量实现保暖或冷却效果的方式,原理与不同颜色的衣服呈现出对光的差异化吸收类似,不同材料对热的辐射效果也是有区别的。在人体的辐射热管理中,要达到保暖效果就得选用具有较强反射辐射热能力(抑制辐射热耗散)的材料,使人体发出的热量尽可能多的留在衣服内,反之则使用反射辐射热能力弱(增强辐射热耗散)的材料即可。

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图 | 辐射热管理材料功能特性示意图(来源:徐伯均)

至于为什么可以通过 “个人辐射热管理” 来实现人体的升降温,是因为人体通常通过辐射、传导、对流和蒸发四种方式散热,并且徐伯均及其团队发现,人体处在正常体温状态下,会通过皮肤向体外 7~14um 波长范围内发散中红外辐射(mid-infrared radiation,mid-IR radiation),且身处室内场景时,以中红外辐射形式散失的热量大约可以占到人体总热量散失的一半以上。

所以,徐伯均认为,如果可以借助衣物把人体通过中红外辐射形式散失的能量留在身边,体感温度就会比这部分热量全部发散掉要高一些,进而达到保暖的效果,反之亦然。

以人们在室内取暖为例,目前采用的方式是通过增厚布料、增添衣物的方式减少人体热量散失,实现自身保暖,同时借助暖气或空调等设备实现室内大环境的升温。

超薄的 “加热 / 制冷” 衣物

而 “个人辐射热管理” 思路下的人体舒适环境制造方案,徐伯均意在为每个人配备一个轻薄、可穿戴、低耗能、可调控的 “冷气暖气”,在提供局部舒适热环境的同时,也可以减少对建筑物温控设备调节的依赖。

基于前述对于中红外辐射的研究,找到具备极佳或者极差吸收人体所散发热量属性的材料制成衣服,就能够实现人体的降温或保暖。为此,徐伯均在博士期间和合作者先后成功设计了保暖、制冷材料以及同时具有保暖 / 制冷双重功能的材料,本文仅以双重功能材料为例进行展开。

他发明的兼具保暖 / 降温功能的双模纺织品由 4 部分组成,总厚度约为 45um(如下图)。最外两层灰色部分均为纳米多孔聚乙烯(nanoPE),中间的黑色和粉色夹层分别为碳(Carbon)和铜(Copper)在纳米材料上的涂层。

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图 | 保暖 / 制冷双模纺织品组成(来源:徐伯均)

选用 nanoPE 作为支撑材料,徐伯均与课题组成员对 mid-IR 的散射度、人眼的透明度以及透气度等多方面因素进行了考量。通过研究得出 nanoPE 具有对 mid-IR 的低吸收、少散射性质,在中红外面前几乎呈现 “透明” 状态,同时因其纳米孔洞(直径为 50 至 1000 nm)对可见光的强烈散射,在人眼下则表现为不透明。

再看上图的中间两层,也是该材料发挥加热 / 制冷关键作用的碳和铜层。碳的 mid-IR 散射高达 0.9,具有很好的辐射热吸收效果,这成为双模材料的 “制冷” 理想选择,同时,碳涂层(上图 B)呈现的粗糙、深色、无光泽状态也有利于辐射热的散射;徐伯均团队选择在 nanoPE 上涂 150nm 的铜来做 “加热” 主要工作层,其表面(上图 C)光滑且有光泽,具有较强的反射属性。并且在扫描电子显微镜(SEM)下可见铜涂层足够薄,不会遮挡 nanoPE 材料孔洞,因此纺织品能够保持较好的透气性。

另外,需要注意的一点是,双模纺织物的最外两层的 nanoPE 并非同等厚度,与碳层接触的一层相对更厚,为 24um,而另一层仅为其 1/2。这一设计也是此款材料实现双模功能的重要一环。徐伯均及其团队实验发现,nanoPE 虽然具有良好的 mid-IR 辐射率,但其厚度不同导热能力会有所差异。

“冷却” 模式下,让较薄的 nanoPE 层更接近皮肤,以确保人体皮肤和高辐射率的碳层之间高效导热,尽可能提高人体散热程度,实现更好的制冷效果。而翻转材料使较厚的 nanoPE 层靠近皮肤,降低热传导也将对保暖效果做出贡献。

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图 | 双模纺织品制冷 / 加热效果示意图(来源:徐伯均)

徐伯均团队对双模纺织品加热 / 制冷效果在温度为 31℃ 的人造皮肤上进行测试显示,当覆盖在人造皮肤上的双模纺织品碳层远离皮肤(制冷)时,皮肤温度为 33.8℃;铜层远离皮肤(加热)时,温度则可以达到 40.3℃。对比之下,将普通运动衣覆盖在人造皮肤上时,皮肤温度为 36.9℃。

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图 | 双模纺织品不同功能与传统衣物下的皮肤温度对比(来源:徐伯均)

经过实验表明,徐伯均设计制作的双模纺织品能够依据很薄的材料实现对人体较好的加热 / 制冷效果。DeepTech 了解到,该技术涉及的相关专利已于 2017 年授权给他博士期间指导教授崔屹创办的公司 EEnotech,目前已转化为现实产品,并于 2020 年 10 月开始进行了限量发售。

EEnotech 官网介绍显示,这款使用双模纺织材料制成的夹克厚度仅为 0.5mm(还有更薄的为 0.3mm),但保暖度比普通轻质夹克要高 40% 以上,银色面外穿实现保暖,翻过来则是降温。作为银色夹克,这件衣服可以在 10 ℃ 环境下为穿着者提供舒适体验。另外,网站信息显示,2021 年 2 月还将推出保暖功能更强的可在 -5 ℃ 保持温暖的超薄夹克。

从学术研究到生产成衣只用3年!保暖、降温可一件搞定

图 | 双模纺织材料制成的夹克(来源:EEnotech官网)

从学术研究到转化为产品,从言语中可以听出徐伯均发自内心的高兴,“虽然这件衣服目前外观比较奇特,但真的可以穿,也真的很暖。”

花很小的能量,把大部分热量留在身边

不过,这款衣服目前实现的功能性和学术上的研究还有一定的距离, 徐伯均对个人化辐射热管理有比当前更深入的规划,他希望未来人们通过辐射热管理,可以用很少的能量消耗,实现体感舒适温度的个性化设定。他说,相比于现在电能驱动的调温设备,调节辐射热的方式更像是调节散热强度的 “阀”,而不是主动提供热量。“这有点像杠杆,只需要花很小很小的能量,就可以把大部分的热留在身边。” 未来,通过 App 可以为自己设置最合适的温度,而无需耗费更多的能量去对整个空间加热或制冷。

除此之外,在个人健康方面,除了为人们提供舒适的温度环境,辐射热管理还可以避免工人、军人或运动员因为极端环境温度或过高的活动量导致身体受到损伤。另外,对于心血管疾病以及免疫系统低下的高危人群,也可以作为预防医学的一部分。

回顾过去,从台湾清华大学到斯坦福大学再到杜克大学,对于今年刚好 35 岁的徐伯均,材料科学与机械工程已经伴他走过了十几年的岁月。

值得关注的是,正是在斯坦福大学期间,徐伯均完成了保暖/制冷双重功能材料的研发设计。其中,在 2016 年获得材料科学与工程学博士学位,其后两年留在该校进行博士后研究。

目前,徐伯均在杜克大学机械工程与材料科学系任助理教授,在个人辐射热管理的基础上继续研究纺织和热辐射在改善建筑能源、提升人体舒适度方面的交叉应用,他所在课题组的科研目标包括实现超低能耗电子化自动控制的热管理智能衣服等。

就像他说的,希望未来能够像调节空调一样,用手机设置衣服的温度。

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