Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en bärbar lapp som kan ge personlig kylning och uppvärmning hemma, arbete, eller på språng. Den mjuka, stretchig plåster kyler eller värmer en användares hud till en behaglig temperatur och håller den där när omgivningstemperaturen ändras. Den drivs av en flexibel, töjbart batteripaket och kan bäddas in i kläder. Forskare säger att att bära det kan hjälpa till att spara energi på luftkonditionering och uppvärmning.

Verket publiceras 17 maj i tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Denna typ av enhet kan förbättra din personliga termiska komfort oavsett om du pendlar en varm dag eller känner dig för kall på kontoret, sa Renkun Chen, en professor i mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego som ledde studien.

Enheten, som är på proof-of-concept-stadiet, kan också spara energi. "Om att bära den här enheten kan få dig att känna dig bekväm inom ett bredare temperaturintervall, du behöver inte sänka termostaten lika mycket på sommaren eller höja värmen lika mycket på vintern, " sa Chen. Att hålla en byggnads inställda temperatur 12 grader högre under sommaren, till exempel, skulle kunna sänka kylkostnaderna med cirka 70 procent, noterade han.

Det finns en mängd olika personliga kyl- och värmeanordningar på marknaden, men de är inte de mest bekväma att bära eller bära med sig. Vissa använder en fläkt, och en del måste blötläggas eller fyllas med vätska som vatten.

Chen och ett team av forskare vid UC San Diego Jacobs School of Engineering designade sin enhet för att vara bekväm och bekväm att bära. Det är flexibelt, lätt och kan enkelt integreras i kläder.

Plåstret är tillverkat av termoelektriska legeringar - material som använder elektricitet för att skapa en temperaturskillnad och vice versa - inklämda mellan stretchiga elastomerark. Enheten kyler eller värmer huden fysiskt till en temperatur som bäraren väljer.

"Du kan placera detta på ställen som tenderar att värmas upp eller svalna snabbare än resten av kroppen, som baksidan, nacke, fötter eller armar, för att vara bekväm när det blir för varmt eller kallt, " sa första författaren Sahngki Hong, en alumn inom maskinteknik från UC San Diego som arbetade med projektet som doktorand. student i Chens labb.

Forskarna bäddade in en prototyp av plåstret i ett nätarmband och testade det på en manlig försöksperson. Tester utfördes i en temperaturkontrollerad miljö. Om två minuter, plåstret kylde testarens hud till en inställd temperatur på 89,6 grader Fahrenheit. Det höll testarens hud vid den temperaturen eftersom den omgivande temperaturen varierades mellan 71,6 och 96,8 grader Fahrenheit.

En byggsten för smarta kläder

Det slutliga målet är att kombinera flera plåster tillsammans för att skapa smarta kläder som kan bäras för personlig kylning och uppvärmning. Så ingenjörer designade en mjuk elektronisk lapp som kan sträcka sig, böj och vrid utan att kompromissa med dess elektroniska funktion.

Arbetet är ett samarbete mellan flera forskargrupper vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. Chens labb, som specialiserat sig på värmeöverföringsteknik, ledde studien. De slog sig ihop med nanoteknikprofessorerna Sheng Xu, en expert på töjbar elektronik, Shirley Meng, en expert på batteriteknik, Ping Liu, som också är en batteriexpert, och Joseph Wang, en expert på bärbara sensorer.

Forskarna byggde plåstret genom att ta små pelare av termoelektriska material (gjorda av vismuttelluridegeringar), löda dem till tunna kopparelektrodremsor, och lägga dem mellan två elastomerark.

Lakanen är speciellt framtagna för att leda värme samtidigt som de är mjuka och stretchiga. Forskare skapade arken genom att blanda ett gummimaterial som kallas Ecoflex med aluminiumnitridpulver, ett material med hög värmeledningsförmåga.

Plåstret använder en elektrisk ström för att flytta värme från ett elastomerark till det andra. När strömmen flyter över vismuttelluridpelarna, det driver värme tillsammans med det, vilket gör att ena sidan av plåstret värms upp och den andra svalnar.

"För att kyla, vi har den nuvarande pumpvärmen från hudsidan till lagret som vetter utåt, " Chen förklarade. "För att göra uppvärmning, vi vänder bara strömmen så värmepumpar åt andra hållet."

Plåstret drivs av ett flexibelt batteripaket. Den är gjord av en rad myntceller, alla sammankopplade med fjäderformade koppartrådar och inbäddade i ett töjbart material.

Spara energi

En lapp mäter 5 × 5 centimeter i storlek och använder upp till 0,2 watts ström. Chens team uppskattar att det skulle ta 144 lappar för att skapa en kylväst. Detta skulle använda cirka 26 watt totalt för att hålla en individ sval en genomsnittlig varm dag (under extrem värme, beräknad energianvändning skulle stiga upp till 80 watt, som handlar om hur mycket en bärbar dator använder). Som jämförelse, ett konventionellt luftkonditioneringssystem använder tiotals kilowatt för att kyla ner ett helt kontor.

Det är mer energieffektivt att kyla ner en enskild person än ett stort rum, konstaterade forskare. "Om det bara finns en handfull personer i rummet, du förbrukar i princip tusentals watt per person för kylning. En enhet som plåstret kan drastiskt minska kylkostnaderna, " sa Chen.

Teamet arbetar nu med lappar som kan byggas in i en prototyp för kyl- och värmeväst. De hoppas kunna kommersialisera tekniken inom några år.

"Vi har löst de grundläggande problemen, nu tar vi itu med de stora tekniska frågorna – elektroniken, hårdvara, och utveckla en mobilapp för att kontrollera temperaturen, " sa Chen.