由多倫多大學(xué)研究人員設(shè)計的一種新的低成本“光流體”系統(tǒng)——其靈感來自魚類、螃蟹和磷蝦等海洋生物——可以通過動態(tài)改變建筑物的外觀來幫助建筑物節(jié)省能源。

應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系的碩士生RaphaelKay說：“我認(rèn)為將建筑物視為活的有機體并不過分地進行類比，”他由BenHatton教授指導(dǎo)。在同一個部門。

“就向內(nèi)和向外的能量流動而言，它們具有新陳代謝。它們必須對不斷變化的環(huán)境條件做出反應(yīng)，以保持舒適且功能良好的內(nèi)部，”凱解釋道。

雖然建筑物目前依靠供暖和空調(diào)等機械系統(tǒng)來維持舒適的室內(nèi)溫度，但Kay指出，許多動物直接在表面(即它們的皮膚)調(diào)節(jié)能量傳遞。

磷蝦——在海洋某些區(qū)域大量繁殖的類似蝦的海洋生物——是透明的，這意味著紫外線會損害它們的內(nèi)臟。作為回應(yīng)，他們開發(fā)了一種動態(tài)遮光系統(tǒng)，在皮膚下的細(xì)胞內(nèi)穿梭色素顆粒，在太亮?xí)r使自身變暗，并在太陽褪去時再次變亮。

建筑物也有一個由外立面和窗戶組成的“表皮”。但是今天，這些外層大多是靜態(tài)的和不變的。因此，進入建筑物的光量和熱量往往過高或過低，迫使供暖、制冷和照明系統(tǒng)比其他情況下更努力地工作。

“舉個簡單的例子，想象一下當(dāng)你需要更多的日光或太陽熱時打開百葉窗，當(dāng)你需要更少的時候關(guān)閉它們，”凱說。

“這確實節(jié)省了能源，但它非常粗糙。為了獲得全部好處，你需要這樣一個系統(tǒng)自動化和優(yōu)化，以實時平衡一系列因素，包括溫度、太陽強度、角度和為建筑物居住者不斷變化的需求提供方向。”

目前有一些技術(shù)可以開始實現(xiàn)這一目標(biāo)：在傳統(tǒng)卷簾上添加計算機控制的電機，或者安裝電致變色窗戶，它可以根據(jù)施加的電壓改變它們的不透明度。

但總的來說，Kay認(rèn)為當(dāng)前的工具集既太昂貴又太有限。

“幾乎所有這些系統(tǒng)都很昂貴，依賴于復(fù)雜的制造程序，或者只能在有限范圍的不透明度之間切換——例如，從非常暗到有點暗，”他說。“也很難實現(xiàn)精細(xì)的空間漸變，例如遮蔽窗玻璃的一部分而不是另一部分。”

在本月發(fā)表在NatureCommunications上的一篇論文中，Kay、Hatton和他們的研究團隊描述了一種克服這些限制的新范式。原型光流控細(xì)胞由一層約一毫米厚的礦物油組成，夾在兩層透明塑料片之間，由博士查理·卡特里茨(CharlieKatrycz)開發(fā)。機械工程專業(yè)的學(xué)生。

通過連接到細(xì)胞中心的管子，研究人員可以注入少量含有顏料或染料的水。注入這種水“客液”會產(chǎn)生一種顏色的綻放，可以通過雙向運行的數(shù)字泵進行控制。添加更多的水會使花朵變大，而去除一些水會使花朵變小。

綻放的形狀可以通過泵的流量來控制：低流量導(dǎo)致大致圓形的綻放，而較高的流量導(dǎo)致復(fù)雜的分支模式。

“我們對如何使用綠色、可持續(xù)化學(xué)物質(zhì)的‘封閉流體’來改變材料特性感興趣，”哈頓說。“它非常通用：我們不僅可以控制每個細(xì)胞中水的大小和形狀，還可以調(diào)整水中染料的化學(xué)或光學(xué)性質(zhì)。它可以是我們想要的任何顏色或不透明度。”

除了原型之外，該團隊還與約翰H.丹尼爾斯建筑、景觀與設(shè)計學(xué)院的助理教授AlstanJakubiec合作，構(gòu)建計算機模型，模擬使用這些單元的全自動和優(yōu)化系統(tǒng)與使用電動百葉窗或電致變色窗。

“我們發(fā)現(xiàn)，與其他兩個選項相比，我們的系統(tǒng)可以將加熱、冷卻和照明所需的能源減少多達(dá)30%，”Kay說。“這樣做的主要原因是我們對遮陽的范圍和時間有更好的控制。我們的系統(tǒng)類似于在立面的不同位置和時間打開和關(guān)閉數(shù)百個小百葉窗。我們可以通過簡單的方式實現(xiàn)這一切，可擴展且廉價的流體流動。”

該團隊還推測了藝術(shù)的可能性。大型細(xì)胞陣列可以像像素一樣發(fā)揮作用，創(chuàng)造出能夠產(chǎn)生點畫風(fēng)格藝術(shù)品的光流控顯示器。在他們的模型中，該團隊甚至模擬了阿爾伯特愛因斯坦和瑪麗蓮夢露的圖像。

哈頓希望使用動態(tài)立面來節(jié)省能源的想法將改變圍繞建筑設(shè)計和氣候變化的對話。

“在發(fā)達(dá)國家，建筑物的排放量約占我們排放量的40%，比任何其他單獨部門都要多，”哈頓說。

“造成這種情況的部分原因是我們將建筑設(shè)計得不靈活。動態(tài)的、自適應(yīng)的建筑可以降低我們必須克服的溫度和日光梯度，并可能節(jié)省大量能源。我們希望我們的貢獻(xiàn)能夠激發(fā)人們的想象。”