基于VO2自适应温度调节的智能仿生皮肤

论文信息：

Yubo Wang, Yungui Ma and Rui Chen, Theoretical Design of Smart Bionic Skins with Self-Adaptive Temperature Regulation, materials 17(22), 5580 (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.3390/ma17225580

研究背景

热辐射在红外光谱的各个方面起着至关重要的作用，特别是在热管理、伪装、传感和热成像等领域。在这种情况下，智能材料在响应外部刺激时表现出发射率的变化，从而实现热辐射的动态控制。自我调节温度的能力在保持稳定温度至关重要的应用中具有重要意义，例如必须在不同环境温度下有效运行的机器人系统。因此，此研究的目的是开发一种智能结构，模拟生物皮肤中的自适应温度调节。此外，工程仿生皮肤的光学特性可以调整，以促进多波段光谱控制。

研究内容

热致变色物质是研究最广泛的智能材料之一，当受到热刺激时，它们可以保留或释放红外热辐射能量，通常涉及相变。GST合金已被证明是快速、耐用和可再生的非挥发性相变材料。在cGST（结晶相）和aGST（非晶相）之间的转变是逐渐发生的，从而产生一个包含非晶相和晶相的中间态。通过控制这些中间相位，可以在特定温度范围内创建连续可调的热发射器。钙钛矿锰氧化物是另一类典型的热致变色材料，随着温度的升高，它能够从铁磁性金属转变为顺磁性绝缘体。已经合成了相关的组合物来实现可调的红外性能。Yu等人介绍了一种设计，其特点是转变温度降至9摄氏度，在零下50至50摄氏度的温度范围内，发射率变化从0.23到0.73。该设计满足了航天器的大部分热控制要求，并有望在未来进一步优化以用于更重要的应用。此外，VO2经历从金属到半导体行为在68摄氏度的转变，这种现象首次发现于1959年，被称为金属绝缘体过渡。这种转变涉及到VO2的结构变化，从低温下的单斜相到高温下的金红石相。重要的是，这种可逆转变不仅可以由温度波动引起，还可以由机械应力、电流、电压和激光光子引起。VO2的适应性导致了对其特性的广泛研究，因为它具有广泛的应用潜力，包括光学和电气开关、调制器、传感器和存储器件。

图1.自适应温度调节的图示。智能皮肤涂层覆盖的红色和蓝色手臂区域分别代表高和低外部热负荷的情况。

图2.设计结构示意图。(a)由杂化膜和金背板组成的设计结构。(b)参考结构由纯VO2薄膜和金背板组成。两个样品中的衬底都是由硅树脂制成的。

图3.(a)杂化膜和(b)纯VO2膜的有效指数参数。实线是折射率的实部，虚线是折射率的虚部。红色和黑色分别代表VO2的绝缘相态和金属相态。

图4.不同发射角度下样品的红外光谱发射率。（a,b）含绝缘VO2和金属VO2的杂化膜结构的发射率。（c,d）分别含有绝缘VO2和金属VO2的参考VO2薄膜结构的辐射系数。颜色代表发射率的值。

图5.样品在不同温度下的热辐射功率。(a)优化结构对杂化膜和VO2膜的辐射响应。(b)填充系数f和膜厚t3不同组合下杂化膜结构的热辐射特性。用实线和虚线分别表示加热和冷却过程的迟滞特性。黑体辐射（红色固体）也给出了比较。

图6.样品在不同输入功率下的温度波动。(a)的输入功率为150-450， (b)的输入功率为， (c)的输入功率为300-700 ，混合样品（蓝色固体）和参考VO2（红色固体）对应的瞬态温度响应分别给出于(d)、(e)和(f)。在（d,f）中，还增加了稳态时的温度波动范围。

图7.可见和红外光谱特性。(a)可见光光谱在银纳米立方体各点的反射率。插图给出了银纳米立方体的一个单位，包括顶部等离子体表面。(b)红外光谱的发射率特性。这里计算了正常的入射光和发射光。

结论与展望

在本文中，作者提出通过利用VO2的相变特性开发一种能够自适应温度调节的智能皮肤。当混合膜应用于硅衬底上, 在150至450 瓦每平方米的外部热通量变化下，它可以保持340±6 K左右的温度。这种温度波动明显小于衬底覆盖优化的纯VO2薄膜时所观察到的温度波动的五分之一。此外，为了增强与天然皮肤的光谱相似性，作者集成了一个由自组装银纳米立方体组成的等离子体表面，修改了仿生皮肤的可见光特性，同时使其保持其红外特性。虽然通过物理方法（如多层技术）制造具有选择性多波段光谱特征的人工结构相对简单，但当集成多种因素时，包括不同的操作状态（在这种情况下，不同的温度）、拓扑结构、可重复性和成本考虑，挑战就会加剧。本文举例说明了一种创建智能温度响应皮肤的方法，并可以在实际应用中解决上述的关键挑战。

热辐射与微纳光子学