用于可持续建筑的光学调谐器（Optical tuner for sustainable buildings）

最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章描述了一种基于流体的建筑界面，通过选择性地调节光吸收和散射来减少加热、冷却和照明的能源使用。模型显示，与现有技术相比，该系统可将年能耗降低43%。

建筑物是城市碳足迹的重要组成部分。根据IPCC（政府间气候变化专门委员会）的第五次评估报告，2010年，建筑占全球能源使用总量的32%，占能源相关温室气体排放总量的19%。这些数字随着城市化而不断增加，到本世纪中叶可能会增加一倍或三倍。建筑中的空间和水的供暖和制冷是最大的能源最终用途，占全球总用热的46%。需要更具成本效益的技术来提高能源效率。

目前的太阳热调节技术是基于调节太阳光的三个光学特性——强度、波长和色散。然而，这些技术只能部分控制这三种光学特性中的每一种。例如，某些反射涂层通常只能调制波长，而电致变色器件通常只能调节强度。需要一种能够对多个相关光学特性进行独立以及同时控制的系统。

在自然界中，某些生物物种进化出了具有多层的皮肤，可以独立调节各种太阳适应。多伦多大学的Raphael Kay、Ben Hatton及其合作者在光流控平台中采用了这种受生物启发的光学控制策略，以实现对建筑物内透射光强度、吸收和分布的独立组合控制。

与生物皮肤中具有不同吸收光谱和散射响应的有机结构类似，具有各种颜色和颗粒的液体溶液可以实现类似的多功能范围。研究人员使用透明的毫米厚聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）片制造了厘米级的双层和三层设备。每一层都设计有堆叠的平行通道和位于每个通道末端的流体储存器。染色溶液被泵入和泵出，用于可切换和可逆的光学控制。例如，具有蓝色和黄色染料溶液的两个平行层透射具有有效绿色的光。因此，不同层内的受限流动可以通过用不同的溶液填充通道来实现可见光和近红外选择（NIR）光的光谱选择性吸收以及直接光散射。

Raphael Kay及其同事通过实验证明了这种基于流体的设备使用不同颜色的染料和炭黑颜料进行近红外选择性吸收和降低光强的可行性。数值模拟表明，与电致变色和卷帘系统相比，流体多层膜可以分别降低21%和24%的年照明能耗。与电致变色窗户相比，冬季供暖能耗降低了40%，夏季制冷能耗与卷帘相比降低了49%。

Raphael及其同事设想了这种设备的放大版，利用廉价环保的流体，并集成机器学习技术进行系统控制。这种结构可以作为未来的建筑立面，选择性地调节光的吸收和反射，以可持续地优化室内气候。

来源：Nature communications engineering

上图：流体多层膜的生物灵感。（A）美洲豹变色龙的颜色变化，使用有源光子晶体的多层结构实现。（B）乌贼的颜色变化，通过在多层色素和结构元素中进行协调驱动来实现。上面的图片是Sepiotouthis lessoniana，而下面的图片是Loligo pelleii。（C和D）在建筑立面中实现独立的多层可切换响应的示意图，其中不同层内的可切换流体流可以实现多种不同的光学功能。（E）示意图举例说明了通过在双层内协调流体注射实现的几种功能或多功能状态。该流体多层充当入射光的附加滤光器。比例尺：（A）白色，20μm；黑色，200nm；（B）1mm；（D）1cm。

原文来源：美国科学院院报