建筑物是地球上能源耗費最集中的地方，其日常運作（主要是在外部條件變化時，對建筑物室內環境進行制熱、制冷和照明）需要消耗全球32%（32.4 PWh）的能源和50%的電力，其對應的溫室氣體排放量占據全球排放量的25%（9.18 GtCO?）。

此外，隨著城市化進程的加快，到本世紀中葉，與建筑物相關的碳排放可能會增長一倍或兩倍。到2050年，全球空調需求預計將增長兩倍，而制熱和制冷能源的使用預計將在同期分別增長79%和84%。

此外，在過去40年里，由住宅和商業建筑物用電導致的碳排放已經分別增長了四倍和三倍。

支撐這一令人擔憂且不斷增長的碳足跡是建筑物設計中一個還未從根本上解決的挑戰：現有的建筑物立面無法實現對太陽能環境的選擇性、可重構響應；沒有任何窗戶、遮陽板或顯色技術能夠隨著太陽條件的變化而獨立地調整入射陽光的數量（強度）、波長（光譜）和色散（散射）。

據麥姆斯咨詢報道，受生物有機體光學自適應多層皮膚的啟發，加拿大多倫多大學（University of Toronto）的研究人員開發了一種多層光流控（optofluidics）結構，用于設計和調整建筑物的光學響應，實現了光譜選擇性可見光吸收（350 ~ 750 nm）、光譜選擇性近紅外吸收（750 ~ 2500 nm）、總光吸收（350 ~ 2500 nm）和定向光散射的獨立和組合控制。

該研究工作展示了建筑物立面內可擴展的“宏流體（macrofluidic）”機制的巨大潛力，通過在大尺度二維表面（0.067 mL/cm2或61 mL/ft2）上操縱和轉換被限制在多層固體層中的無毒、可再生、大部分可回收、易于獲得的水性流體，可實現廣泛的可調節的光學響應。

圖1 受生物有機體光學自適應多層皮膚啟發的可持續建筑物中的多層光流控結構

研究人員開發的多層光流控結構原型采用塑料平板制備而成，其中設置了一系列用于泵送流體的毫米尺寸的通道。定制的顏料、顆粒或其他分子可以混合到流體中，以控制可以通過的光的類型，以及光的分布方向。

這些塑料平板可以組合成多層堆疊結構，每一層負責實現包括控制強度、過濾波長或調節室內透射光的散射類型等在內的不同光學功能。

據報道，該多層光流控系統可以通過一個小型的數字控制泵從每一層中泵入或泵出流體，以此來優化光的調控。

設計和建造的多層光流控結構原型包含多層通道，每一層都包含具有不同光學性質的流體，通過將流體泵入和泵出通道，該系統可以優化通過的光的類型、強度和分布

為了驗證所設計的光流控系統對建筑物性能的改善，該研究工作利用逆向光學光線追蹤模擬器（Radiance）和瞬態熱建模器（EnergyPlus）來預測該系統的靜態和動態性能如何在數字化、利用計算機設計的室內空間中有效地調整入射陽光的強度、光譜和色散。

模擬結果顯示，基于流體的散射可以減少10%的電力照明消耗；此外，通過控制總光吸收和近紅外選擇性吸收，可使得用于制熱和制冷的能量消耗分別降低51%和25%；通過對總光吸收、近紅外吸收和散射流體層組合的動態優化，可以使得其年度性能比最先進的電致變色窗高出43%。

圖3 對室內日光可調性的模擬



圖4 對太陽熱量獲取可調性的模擬

綜上所述，受生物有機體光學自適應多層皮膚的啟發，該研究工作介紹了一種多層光流控界面，用于在建筑物中實現全面的獨立光學響應功能。

該研究工作以數字化方式控制了受限于毫米級通道內水溶液的流動，實現了對總透射光強（95%調制在250 nm到2500 nm之間）、近紅外選擇性吸收（70%調制在740 nm到2500 nm之間）和色散（散射）的獨立控制。

這種組合光學可調性可以對建筑物內傳輸的太陽輻射的強度、波長和位置進行可配置的優化，從而使模型的年度能耗比現有技術降低43%以上。

因此，該研究工作所提出的基于多種水性化學物質的可擴展“光流控”平臺，可能代表建筑物氣候控制的通用解決方案。

審核編輯：劉清