AFM: 仿生结构用于人体热管理的可穿戴热电器件

通讯作者：侯成义、李耀刚、王宏志；通讯单位：东华大学；

DOI: 10.1002/adfm.202402319

全文概述

皮肤是人体面向外界环境的多功能窗口，它不仅是人体抵御有害物质的保护屏障，也是感知和与周围环境互动的生物传感器。尽管皮肤非常重要，但其自我调节能力有限，尤其是体温调节能力，在高温和消防安全等不断变化和苛刻的场景中可能会出现问题。个人热管理器件集成环境感知、温度调节和能量捕获等功能，可以有效帮助人体应对极端的外部环境。在所有热管理解决方案的替代方案中，可穿戴热电器件因其可靠的温度感知和双向热电转换能力，已经被认为具备优异的人体热管理能力。

近日，东华大学先进功能材料课题组（AFMG）受刺猬皮毛结构启发设计了一种新型的可穿戴热电器件，同时具备温度感知、人体热能捕获以及通电制冷能力。该工作中，研究人员将室温高热电性能的Bi-Te基材料通过蛇形电极集成到弹性硅基地中，制备的仿“刺-皮肤”结构器件具备优异的热管理能力。相关成果以“Bioinspired Wearable Thermoelectric Device Constructed with Soft-Rigid Assembly for Personal Thermal Management”发表在知名期刊《Advanced Functional Materials》上。东华大学侯成义研究员、李耀刚教授和王宏志教授为论文共同通讯作者

东华大学AFMG课题组多年来扎根于柔性热电材料和器件的研发，现已发表多项研究成果。在前期的研究中，研究人员已经成功构筑n型和p型全无机复合热电材料（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900304），p-n分段的热电纱线（Chem. Eng. J. 2023, 453, 139749； ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 33297）。另外，基于全碳结构构筑高密度集成柔性热电器件（Nano Energy 2021, 89, 106487），并通过水凝胶打印策略在不同基底上构筑图案化热电器件（Nanoscale, 2022,14,16857）。

图文数据

图1. 生物结构启发的可穿戴热电器件。（a，b） 刺猬的皮毛结构；（c）仿刺猬皮毛结构的热电器件结构示意图；（d-f）所制备器件在不同形态下的照片

图2.仿生结构热电器件的应用。（a，b） 人体穿戴演示；（c）捕获人体热能产生的电压密度；（d）对人体触碰及呼气的感知应用；（e）通电制冷效果；（f）穿戴于手臂时的制冷效果；（g, h）穿戴时不同风速下的制冷效果。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402319