华科吴豪等Device：柔性人体热管理电子系统

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-27 07:50

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近日，国际权威期刊《Device》刊发了华中科技大学吴豪团队在柔性电子与人体热管理领域的最新综述，题为“Material design and integrating strategies for thermoregulatory e-skins with heating and cooling functions”(具有加热/冷却功能的柔性人体热管理电子系统材料设计与集成方法)，华中科技大学机械学院谢斌讲师为第一作者，吴豪教授为通讯作者。

体温恒定及动态调节功能是人体所有生理活动的基础。当环境温度变化时，人体通过体表温度感受器将温度信号传递至下丘脑，下丘脑产生刺激信号并驱动骨骼肌、汗腺、血管等做出增强产热或强化散热动作，从而维持体温恒定（图1）。在严寒、酷暑、潮湿、肢体损伤等极端情况下，人体无法通过体温调节系统维持自身温度恒定，易导致冻伤、热休克、卒中等各种疾病甚至死亡。

为应对上述极端工况，人体热管理系统应运而生。最早的人体热管理系统可追溯至19世纪，即实现室内整体环境加热的“温突”(Ondol)，并逐渐发展至暖通空调系统(HVAC)、个人热管理服装(PTM)，以及最新的柔性人体热管理电子系统(FPTM)（图2）。其中，FPTM基于柔性材料与刚/柔混合电子器件集成，可共形贴附于体表，实现温度感知、加热、冷却、排汗等人体热管理功能，是未来极具应用潜力的人体热管理方案。然而，当前大多数FPTM仍面临功能与应用场景单一、系统繁重、难以长期运行、自身散热困难等问题，如何突破上述瓶颈成为柔性人体热管理系统领域的研究关键。

近日，华中科技大学吴豪团队系统地分析了人体表皮传热机理与热平衡机制，总结了当前FPTM在日常体温调节（图3）、热感知功能重建（图4）、柔性表皮热疗（图5）、系统散热（图6、图7）等方面的最新研究进展，重点探讨了：1）多模态、自供能、零能耗等先进热管理技术在日常体温调节中的应用；2）非侵入式热感知-热反馈一体化集成方法；3）透明/透气/动态柔性表皮热疗材料设计与器件制造技术；4）FPTM系统热扩散-辐射制冷集成方案。

最后，对FPTM未来发展趋势及关键研究内容进行了展望（图8）。在热感知方面，需考虑个体温度分布差异并提出普适化的等效体温计算模型，发展精确的高分辨率体温测量方法；在体温调节方面，需攻克大面积、多功能、轻薄化FPTM设计制造策略；在热感觉重建方面，需进一步探明幻肢热觉形成与对应机制，开发非接触式温度感知方法；在表皮热疗方面，需开发热响应功能材料，并实现精准热疗与药物缓释的耦合调控；在FPTM系统散热方面，需进一步开发热防护功能层和柔性轻薄主动制冷结构；在系统供电方面，需重点探索生物质电池、柔性电池、柔性能量转换装置与FTPM的有机结合。