Nat. Commun. | 大幅降低制热和制冷成本的仿生智能窗户

建筑物的材料由于无法根据温度和日照随时变化而变化，增加了供暖和制冷成本以及能源消耗。目前，一些建筑物依靠计算机控制的百叶窗或电致变色窗户来实现有限、不足的光学调控。

受螃蟹和磷虾等海洋生物的启发，加拿大多伦多大学的研究人员开发了一种自适应建筑表面，该表面使用可逆流体注入来调节光传输。研究人员表示，根据他们开发的模型，新表面可以实现自我重新配置并找到其最佳状态。与目前可用的电致变色技术相比，信技术可以将用于加热、冷却和照明的能量减少 30% 以上。研究成果目前已发表于Nature Communications（doi: 10.1038/s41467-022-31527-6）。

仿生灵感：磷虾

南极磷虾（Euphausia superba）是一种类似虾的海洋动物，其可以改变皮肤颜色以保护自身免受紫外线的伤害。在阳光强度发生变化的几分钟内，磷虾会沿着表皮下的径向分支微管分散色素，为其器官提供阴影。类似这种的可逆的颜色变化机制也能够在其他动物中找到，例如对虾和螃蟹。

模仿磷虾皮（左）的光学响应，多伦多大学团队提出的变色机制（右）。

从这些海洋动物身上汲取灵感，多伦多大学的研究团队着手复制和扩大动物对建筑物表面材料层的动态光学响应。研究人员首先使用两片透明的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 夹住一层约 1 毫米厚的矿物油，构建了原型的光流控细胞。然后，他们利用可逆的泵连接管子从而将少量含有碳颗粒（类似于磷虾的色素）的水-甘油溶液注入细胞中心。

通过测试不同注入速率，研究人员发现他们可以控制由含碳流体产生的图案的形状。当注入速率较低（0.50 mL/min）时，流体会产生圆形图案。随着速率的增加，流体分散成复杂的分支图案，类似于磷虾展示的颜色模式。

数字控制

然后，研究人员开始模拟海洋生物的光学和热响应。他们制作了一个包含 16 个单元的表面，每个单元包括一个光电传感器和一个热电偶，并具有独立的注入点。当团队将泛光灯照射到多单元立面时，数字负反馈系统触发碳流体释放，阻挡多余的光，从而传输预设量的光。

当研究人员打开热源将温度从 22°C 提高到 36°C 时，表面再次做出相应反应，分散颜料液，提供阴影并在 16 分钟内将温度降至 22°C。

除了模型之外，研究人员还建立了计算机模拟，计算了使用他们的全自动和优化系统与使用电动百叶窗或电致变色窗的系统相比的性能。

模拟发现，与其他两种方案相比，此系统可以将供暖、制冷和照明所需的能源减少多达 30%。造成这种情况的主要原因是新系统对遮阳的范围和时间有更好的控制。这类似于在建筑物表面的不同位置和时间打开和关闭数百个微型百叶窗。

研究人员通过计算机模拟证明，光流控细胞可用于展示不同的模式。

除了提高建筑物的能源效率外，研究人员这种细胞还可用于艺术品展示，即每个细胞都充当一个像素。他们使用计算机模型来模拟大型数字化光流控显示器，创造出玛丽莲·梦露、阿尔伯特·爱因斯坦和塞雷娜·威廉姆斯的面孔。

总之，这种动态的、适应性强的建筑材料可以降低极端的温度和日光梯度，并可能节省大量能源，并且将会在更多方面存在广泛的应用。