受鱿鱼皮启发的液体窗户可以帮助建筑物节能

受鱿鱼等生物体动态变色皮肤的启发，多伦多大学的研究人员开发了一种多层流体系统，可以降低建筑物供暖、制冷和照明的能源成本。

该平台优化了透过窗户的光的波长、强度和色散，提供比现有技术更好的控制，同时由于其简单的现成组件而保持低成本。

“建筑物使用大量能量来加热、冷却和照亮其中的空间，”RaphaelKay说，他最近从应用科学与工程学院获得机械工程硕士学位，并且是一篇新论文的主要作者在PNAS杂志上。

“如果我们能够战略性地控制进入我们建筑物的太阳能的数量、类型和方向，我们就可以大大减少我们要求加热器、冷却器和灯做的工作量。”

目前，某些“智能”建筑技术，如自动百叶窗或电致变色窗——它们会根据电流改变不透明度——可用于控制进入房间的阳光量。但是凯说这些系统是有限的：它们不能区分不同波长的光，也不能控制光在空间上的分布方式。

“阳光包含可见光，它会影响建筑物的照明——但它也包含其他不可见的波长，例如红外线，我们可以将其视为热量，”他说。

“在冬天的中午，你可能想让两者都进入——但在夏天的中午，你只想让可见光而不是热量进入。当前的系统通常无法做到这一点——要么阻止要么都不阻止。它们也不能以有益的方式引导或散射光。”

流体多层膜的生物学灵感：(A)豹变色龙的颜色变化是使用活性光子晶体的多层结构实现的;(B)鱿鱼的颜色变化是通过在多层色素和结构元素中协调驱动来实现的。

流体多层膜的生物学灵感：(A)豹变色龙的颜色变化是使用活性光子晶体的多层结构实现的;(B)鱿鱼的颜色变化是通过在多层色素和结构元素中协调驱动来实现的。

该系统由Kay和副教授BenHatton领导的团队开发，利用微流体的力量提供替代方案。该团队还包括材料科学与工程系的博士生CharlieKatrycz和JohnH.Daniels建筑、景观与设计学院的助理教授AlstanJakubiec。

原型由塑料平板组成，塑料平板上布满了一系列毫米厚的通道，可以通过这些通道泵送流体。可以将定制的颜料、颗粒或其他分子混合到流体中，以控制哪种光通过——例如可见光与近红外波长——以及这种光随后分布的方向。

这些薄片可以组合成多层堆叠，每一层负责不同类型的光学功能：控制强度、过滤波长或调节室内透射光的散射。该系统可以通过使用小型数控泵从每一层添加或去除流体来优化光传输。

“它简单且成本低廉，但它还能实现令人难以置信的组合控制。我们可以设计液态动态建筑外墙，基本上可以根据其光学特性做任何您想做的事情，”Kay说。

这项工作建立在今年早些时候由同一个团队开发的另一个使用注入颜料的系统之上。虽然这项研究从海洋节肢动物的变色能力中汲取灵感，但目前的系统更类似于鱿鱼的多层皮肤。

许多种类的鱿鱼的皮肤包含堆叠的特殊器官层-包括控制光吸收的色素细胞和影响反射和虹彩的虹彩细胞。这些可单独寻址的元件协同工作以产生独特的光学行为，而这些行为只有通过它们的组合操作才能实现。

在多大工程研究人员专注于原型的同时，Jakubiec建立了详细的计算机模型，分析了在这种类型的动态立面中覆盖假设建筑的潜在能源影响。

这些模型是根据原型测量的物理特性得出的。该团队还模拟了各种控制算法，以响应不断变化的环境条件来激活或停用这些层。

“如果我们只有一层专注于调制近红外光的传输——所以甚至不接触光谱的可见部分——我们发现我们每年可以节省大约25%的加热、冷却和照明能源。静态基线，”凯说。

“如果我们有两层——红外线和可见光——它更像是50%。这些都是非常可观的节省。”

在最近的研究中，控制算法是由人类设计的，但哈顿指出，优化它们将是人工智能的理想任务——未来可能的研究方向。

哈顿说：“建造一座可以学习的建筑的想法——可以自行调整动态阵列以针对太阳条件的季节性和每日变化进行优化——对我们来说非常令人兴奋。”

“我们还在研究如何有效地扩大规模，以便覆盖整栋建筑。这需要努力，但鉴于这一切都可以用简单、无毒、低成本的材料来完成，这是一个可以解决的挑战。”

哈顿还希望这项研究能够鼓励其他研究人员更有创意地思考管理建筑物能源的新方法。

“在全球范围内，建筑物消耗的能源量是巨大的——甚至比我们在制造或运输上花费的还要多，”他说。“我们认为为建筑制造智能材料是一项值得更多关注的挑战。”

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