Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato una toppa indossabile che potrebbe fornire raffreddamento e riscaldamento personalizzati a casa, opera, o in viaggio. Il morbido, Il cerotto elastico rinfresca o riscalda la pelle dell'utente a una temperatura confortevole e la mantiene al variare della temperatura ambiente. È alimentato da un flessibile, pacco batteria estensibile e può essere incorporato nei vestiti. I ricercatori dicono che indossarlo potrebbe aiutare a risparmiare energia su aria condizionata e riscaldamento.

L'opera è pubblicata il 17 maggio sulla rivista Progressi scientifici .

"Questo tipo di dispositivo può migliorare il tuo comfort termico personale sia che tu stia viaggiando in una giornata calda o che ti senta troppo freddo nel tuo ufficio, " disse Renkun Chen, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'UC San Diego che ha guidato lo studio.

Il dispositivo, che è in fase di proof-of-concept, potrebbe anche risparmiare energia. "Se indossare questo dispositivo può farti sentire a tuo agio in un intervallo di temperatura più ampio, non dovrai abbassare tanto il termostato in estate o alzare il riscaldamento tanto in inverno, " disse Chen. Mantenere la temperatura impostata di un edificio di 12 gradi più alta durante l'estate, Per esempio, potrebbe ridurre i costi di raffreddamento di circa il 70%, ha notato.

Ci sono una varietà di dispositivi di raffreddamento e riscaldamento personali sul mercato, ma non sono i più comodi da indossare o da portare in giro. Alcuni usano un ventilatore, e alcuni devono essere immersi o riempiti con liquidi come l'acqua.

Chen e un team di ricercatori della Jacobs School of Engineering della UC San Diego hanno progettato il loro dispositivo per essere comodo e comodo da indossare. è flessibile, leggero e può essere facilmente integrato nell'abbigliamento.

Il cerotto è realizzato con leghe termoelettriche, materiali che utilizzano l'elettricità per creare una differenza di temperatura e viceversa, inseriti tra fogli elastici di elastomero. Il dispositivo raffredda o riscalda fisicamente la pelle a una temperatura scelta da chi lo indossa.

"Potresti posizionarlo su punti che tendono a riscaldarsi o raffreddarsi più velocemente del resto del corpo, come la schiena, collo, piedi o braccia, per stare comodi quando fa troppo caldo o troppo freddo, " ha detto il primo autore Sahngki Hong, un alunno di ingegneria meccanica della UC San Diego che ha lavorato al progetto come dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Chen.

I ricercatori hanno incorporato un prototipo del cerotto in un bracciale in rete e l'hanno testato su un soggetto di sesso maschile. I test sono stati eseguiti in un ambiente a temperatura controllata. In due minuti, il cerotto ha raffreddato la pelle del tester a una temperatura impostata di 89,6 gradi Fahrenheit. Ha mantenuto la pelle del tester a quella temperatura poiché la temperatura ambiente è stata variata tra 71,6 e 96,8 gradi Fahrenheit.

Un elemento costitutivo per l'abbigliamento intelligente

L'obiettivo finale è combinare più toppe insieme per creare abbigliamento intelligente che può essere indossato per un raffreddamento e un riscaldamento personalizzati. Così gli ingegneri hanno progettato un cerotto elettronico morbido che può allungarsi, piegare e torcere senza compromettere la sua funzione elettronica.

Il lavoro è una collaborazione tra diversi gruppi di ricerca presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. il laboratorio di Chen, specializzata nella tecnologia del trasferimento di calore, condotto lo studio. Hanno collaborato con i professori di nanoingegneria Sheng Xu, un esperto di elettronica estensibile, Shirley Meng, un esperto nella tecnologia delle batterie, Ping Liu, che è anche un esperto di batterie, e Giuseppe Wang, un esperto di sensori indossabili.

I ricercatori hanno costruito il cerotto prendendo piccoli pilastri di materiali termoelettrici (fatti di leghe di tellururo di bismuto), saldandoli a sottili strisce di elettrodi di rame, e inserendoli tra due fogli di elastomero.

I fogli sono appositamente progettati per condurre il calore pur essendo morbidi ed elastici. I ricercatori hanno creato i fogli mescolando un materiale in gomma chiamato Ecoflex con polvere di nitruro di alluminio, un materiale ad alta conducibilità termica.

Il cerotto utilizza una corrente elettrica per spostare il calore da un foglio di elastomero all'altro. Mentre la corrente scorre attraverso i pilastri di tellururo di bismuto, porta con sé il calore, provocando il riscaldamento di un lato del cerotto e il raffreddamento dell'altro.

"Per fare il raffreddamento, abbiamo l'attuale pompa di calore dal lato della pelle allo strato rivolto verso l'esterno, " Chen ha spiegato. "Per fare il riscaldamento, invertiamo semplicemente la corrente in modo che le pompe di calore vadano nella direzione opposta."

La patch è alimentata da un pacco batteria flessibile. È costituito da una serie di pile a bottone, tutte collegate da fili di rame a forma di molla e incorporate in un materiale estensibile.

Risparmiare energia

Un cerotto misura 5 × 5 centimetri e utilizza fino a 0,2 watt di potenza. Il team di Chen stima che ci vorrebbero 144 cerotti per creare un giubbotto rinfrescante. Ciò richiederebbe circa 26 watt in totale per mantenere fresco un individuo in una giornata mediamente calda (durante il caldo estremo, il consumo di energia stimato salirebbe fino a 80 watt, che è circa quanto consuma un laptop). A confronto, un sistema di condizionamento convenzionale utilizza decine di kilowatt per raffreddare un intero ufficio.

È più efficiente dal punto di vista energetico raffreddare una singola persona rispetto a una grande stanza, hanno notato i ricercatori. "Se ci sono solo una manciata di occupanti in quella stanza, essenzialmente stai consumando migliaia di watt a persona per il raffreddamento. Un dispositivo come il cerotto potrebbe ridurre drasticamente le bollette di raffreddamento, " disse Chen.

Il team sta ora lavorando su patch che potrebbero essere integrate in un prototipo di giubbotto di raffreddamento e riscaldamento. Sperano di commercializzare la tecnologia in pochi anni.

"Abbiamo risolto i problemi fondamentali, ora stiamo affrontando i grandi problemi di ingegneria:l'elettronica, hardware, e sviluppare un'app mobile per controllare la temperatura, " disse Chen.