NC:一种具有仿生结构的主动冷却柔性材料（中国农业大学何志祝教授课题组，最新研究）

现有技术缺点

1. 导热性差：传统的弹性体材料导热系数低，约为0.2 W/mK，难以实现有效散热。

2. 适应性差：尽管柔性材料具有较高的拉伸性能，但无法适应复杂或凹凸不平的表面，尤其是动态变化的形状。

3. 结构复杂性不足：现有制造方法难以在柔性弹性体中嵌入复杂的热流体通道结构，无法同时实现高导热性与可拉伸性。

文章亮点

1. 液态金属骨架：受骨骼双连续结构启发，开发了一种液态金属骨架的弹性体（LMS-ACE），通过液态金属材料提高导热性，最高可达27.1 W/mK，并保持高拉伸性（应变极限>600%）。

2. 液压驱动自适应冷却：借鉴血管系统的血管舒张原理，提出了一种液压驱动的主动冷却策略，通过调节液压压力来改变形状，适应复杂表面，实现高效散热。

3. 制造方法简单：提出了一种基于熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）技术的简单通用制造方法，可以制备具有复杂几何形状的LMS-ACE，适应各种特殊结构，甚至内部有完全隔离的空腔。

应用场景

1. 个性化热管理：LMS-ACE可用于穿戴式设备的散热，尤其适合头部热调节，避免皮肤损伤。

2. 柔性电子设备：其高导热性和柔性使其能够在柔性电子产品中实现持久运行，确保设备稳定性。

3. 软体机器人：可用于软体机器人的主动冷却系统，提升其工作效率和耐用性。

4. 热能收集：LMS-ACE在动态表面如曲面上具有高效热能收集能力，展现了在能量收集领域的潜力。

总结

该研究受自然骨骼结构和血管系统启发，提出了一种高导热性、可拉伸的液态金属骨架弹性体（LMS-ACE），并结合液压驱动的主动冷却策略，能够适应复杂表面进行有效散热。其制造方法简单，可应用于热管理、柔性电子、软体机器人和热能收集等多个领域，为这些应用提供了新的解决方案和视角。

文章名称：Hydraulic-driven adaptable morphing active-cooling elastomer with bioinspired bicontinuous phases

期刊：Nature Communications

文章DOI：

    https://doi.org/10.1038/s41467-024-45562-y

通讯作者：中国农业大学何志祝（Zhizhu He）教授

    受骨组织双连续结构的启发，作者提出了一种简单而多功能的方法，利用熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）打印的丙烯腈丁二烯苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene, ABS）可溶模具，制备了基于液态金属骨架的ACE（LM skeleton ACE ，LMS-ACE）（视频1）。

视频1

3D复杂形状LMS-ACE的制备

图1  基于三维复杂形状液态金属骨架的主动冷却弹性体（LMS-ACE）的制备。A）曲面柔性电子设备的不同主动冷却方法的示意图，允许动态改变形状：(I)高导热但适应性差的刚性散热装置，(II) 低导热和被动适应的ACE，(III) 高导热和主动适应的LMS-ACE。B）使用熔融沉积建模（FDM）打印的ABS可溶模具制备具有互连结构的LMS的制造原理。C）复杂形状的LMS及其有机硅弹性体涂层。D）由LMS-ACE和柔性热电设备（FTED）组成的软冷却夹爪。E）液压驱动的软夹爪弯曲和冷却性能。

视频2

LMSE的热机械特性

    作者的LMSE在拉伸和热导方面的高性能得益于其双连续相（由LM网络和有机硅基质组成），这可以实现ACE的显著热充电/放电效果，特别是对于大幅度的拉伸。模拟结果表明，微观形态的各向异性（如网格、蜂窝、立方和同心）会引起沿不同方向的热导率变化（图2D）。Gyroid图案呈现出各向同性结构（视频5）并导致热传导路径的均匀分布。使用瞬态热线法的实验结果（图2E）表明，当LM沿着有机硅基质拉伸并重新定向时，拉伸可以增强LMSE的热传导。同心圆图案的强各向异性将在大拉伸应变下引起热导率的空间非均匀性。拉伸增强的热传导可以在拉伸沿着LM板阵列方向的情况下观察到。否则，拉伸应力会导致LM板阵列分离并恶化热传导。

视频3

视频4

 视频5

    Gyroid图案类型相比于LMS的其他微观形态，在所有方向上都能实现更高的热导率。Gyroid图案的大表面积有利于增强与有机硅基质的界面相互作用，可以抑制由高LM密度引起的双连续相分离。因此，基于Gyroid图案的LMSE被选择用于后续测试和应用。令人惊讶的是，在拉伸方向上，Gyroid图案类型在应变为300%、ΦLM = 81.4%时实现了较高的热导率为 27.1 W/mK（图2F）。

图2  基于液态金属骨架的弹性体（LMSE）的热机械特性。

LMS-AC的液压驱动自适应变形

    LMSE类似金属的导热系数(高达27.1 W/mK)、低刚度(<100 kPa.)和高应变极限(>600%)的组合使其具有冷却效果和自适应变形能力。受自然主动血管扩张血流调节原理的启发，作者提出了一种液压驱动的自适应变形策略，以增强LMS-ACE的冷却性能。嵌入血管网络的软生物组织允许它们通过周围血管的收缩或扩张动态改变形状来控制热量的清除。

图3 基于液态金属骨架的主动冷却弹性体（LMS-ACE）的液压驱动自适应变形。A LMS-ACE的液压驱动自适应形态变化的示意图（左）及其截面（右）。B 袖状LMS和LMS-ACE（直径为21毫米）的光学图像。C 当袖状LMS-ACE固定在直径为50~90 mm的的圆柱体上时的变形位移。D 袖状LMS-ACE内壁厚度与拉伸直径的曲线。E 袖状LMS-ACE内壁接触压力与拉伸直径的曲线。F 对于具有大粗糙度的圆柱体，P1和P2处的接触压力会随加载压力的变化而变化。G 对于六边形截面的圆柱体，P1和P2处的接触压力会随加载压力的变化而变化。H LMS-ACE在凹形物体上的光学图像，有无加载流体压力。I 加载压力对凹部接触压力的影响。

通过LMS-ACE与FTED集成进行热能收集

    作者的FTED可以适应排气管（图4A），并且LMS-ACE被用作其冷侧的液压增强散热器（图4B）。在拖拉机上安装它们以在旋耕操作期间进行废热收集是可行的（图4C）。模拟实验结果表明，LMS-ACE的更高导热性导致FTED的冷/热侧温差（ΔT）大于LMEE-ACE（图4D），从而产生更多的输出功率（图4E）。

图4 通过基于液态金属骨架的主动冷却弹性体（LMS-ACE）与柔性热电器件（FTED）集成进行热能收集。

可穿戴降温头带，用于个性化体温调节

    基于LMS-ACE与FTED集成，作者设计并制造了一种智能头带降温装置（图5A和视频8），具有所需的柔性、紧凑性、重量轻（<65克，不考虑电池）、高降温能力（温度降低>20°C）、显著的温度控制精度（±0.25°C）和长时间运行（>24小时）。智能降温头带主要由FTED（图5B）、两个LMS-ACE、水泵、电池和冷却控制电路组成，这些部件集成在弹性带中。

视频8

    作者测试了LMS-ACE在没有FTED主动冷却的情况下在人的额头上的体温调节性能。结果表明，LMS-ACE表现出良好的散热能力，可以在环境温度为21.5°C时，573.3 W/m2的热功率密度下实现约25°C的冷却温度。

图5 可穿戴式降温头带用于个性化体温调节。 A 冷却头带戴在头上的光学图像。B 柔性热电器件(FTED)的光学图像，由集成在柔性薄膜上的多个P/N型热电支路和控制电路组成。C 冷却头带工作原理的示意图。D 冷却控制电路工作原理的示意图。E 不同水流速下LMS-ACE对FTED冷却性能的影响。F 通过改变输入电流方向调制的FTED的冷却和加热效果。G FTED长期运行测试，用于控制模拟热源的温度（对应FTED的冷侧温度）（324 W/m2）。H FTED弯曲对其电阻的影响。I 不同弯曲半径下FTED性能的比较。J 不同冷却通量密度下FTED冷侧温度与输入电流的关系。K 在环境温度严重变化下，冷却头带对人类额头的温度控制性能。L 在-3°C至40°C不同环境温度下，人类额头的热调节。M 本研究与报道工作的冷却性能比较。

Yu, D., Wang, Z., Chi, G. et al. Hydraulic-driven adaptable morphing active-cooling elastomer with bioinspired bicontinuous phases. Nat Commun 15, 1179 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45562-y

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