پنجره‌ سیال هوشمند با الهام از پوست ماهی برای صرفه‌جویی

اختصاصی شبکه علمی ثریا- محققان دانشگاه تورنتو با الهام از پوست موجوداتی مانند ماهی مرکب، یک سیستم سیال چندلایه ایجاد کرده اند که می تواند هزینه های انرژی گرمایش، سرمایش و روشنایی ساختمان ها را کاهش دهد. این پلت فرم که طول موج، شدت و پراکندگی نور منتقل شده از طریق پنجره ها را بهینه می‌کند، کنترل بسیار بیشتری نسبت به فناوری های موجود ارائه می دهد و در عین حال به دلیل استفاده از اجزای ساده سطح هزینه‌ها را پایین نگه می دارد. ساختمان ها انرژی زیادی را برای گرم کردن، خنک کردن و روشن کردن فضاهای داخل خود مصرف می کنند. اگر بتوانیم مقدار، نوع و جهت انرژی خورشیدی را که وارد ساختمان‌هایمان می‌شود کنترل کنیم، می‌توانیم حجم کاری را که از بخاری‌ها، خنک‌کننده‌ها و چراغ‌ها انجام ‌می‌دهند به شدت کاهش دهیم.

در حال حاضر، برخی از فناوری‌های ساختمانی هوشمند، مانند پرده‌های خودکار یا پنجره‌های الکتروکرومیک می‌توانند برای کنترل میزان نور خورشیدی که وارد اتاق می‌شود استفاده شوند. اما محققان می‌گویند که این سیستم‌ها محدود هستند: آنها نمی‌توانند بین طول‌موج‌های مختلف نور تمایز قائل شوند و همچنین نمی‌توانند نحوه توزیع آن نور در فضا را کنترل کنند. آنها می‌گویند: نور خورشید حاوی نور مرئی است که بر روشنایی ساختمان تأثیر می‌گذارد، اما همچنین دارای طول موج‌های نامرئی دیگری مانند نور فروسرخ است که می‌توانیم اساساً آن را گرما بدانیم. در زمستان در وسط روز، احتمالاً می خواهید هم نور و هم گرما داشته باشید اما در وسط روز در تابستان، می خواهید فقط نور مرئی و نه گرما را داشته باشید. سیستم های فعلی معمولاً نمی توانند این کار را انجام دهند، آنها یا هر دو را مسدود می کنند یا هیچکدام را مسدود نمی کنند. آنها همچنین توانایی هدایت یا پراکندگی نور را به روش های مفید ندارند.

این سیستم جدید از قدرت میکروسیال ها برای ارائه یک جایگزین استفاده می کند. نمونه‌های اولیه از ورقه‌های تخت پلاستیکی تشکیل شده‌اند که به مجموعه‌ای از کانال‌های ضخیم میلی‌متری نفوذ کرده‌اند که می‌توان سیالات را از طریق آنها پمپ کرد. رنگدانه‌ها، ذرات یا سایر مولکول‌های سفارشی‌شده را می‌توان در سیالات مخلوط کرد تا نوع نوری که از آن عبور می‌کند مانند طول موج‌های مرئی در مقابل مادون قرمز نزدیک  و سپس در کدام جهت توزیع شود. این ورق‌ها را می‌توان به شکل چند لایه ترکیب کرد و هر لایه مسئول عملکرد نوری متفاوتی است: کنترل شدت، فیلتر کردن طول موج یا تنظیم پراکندگی نور منتقل شده در داخل خانه. با استفاده از پمپ های کوچک و دیجیتالی کنترل شده برای افزودن یا حذف مایعات از هر لایه، سیستم می تواند انتقال نور را بهینه کند. این کار ساده و کم‌هزینه است، اما کنترل ترکیبی باورنکردنی را نیز امکان‌پذیر می‌کند. ما می‌توانیم نمای ساختمان‌های پویا در حالت مایع را طراحی کنیم که اساساً هر کاری را که می‌خواهید از نظر ویژگی‌های نوری انجام دهید، انجام می‌دهند.

این کاربر روی سیستم دیگری استوار است که از رنگدانه تزریقی استفاده می‌کند، که توسط همان تیم در اوایل امسال ارائه داده شد. در حالی که این مطالعه از توانایی‌های تغییر رنگ بندپایان دریایی الهام گرفته شد، سیستم فعلی بیشتر شبیه پوست چند لایه ماهی مرکب است. بسیاری از گونه‌های ماهی مرکب دارای پوستی هستند که دارای لایه‌های روی هم از اندام‌های تخصصی است ،از جمله کروماتوفورها که جذب نور را کنترل می‌کنند و ایریدوفورها که بر بازتاب و رنگین کمانی تأثیر می‌گذارند. این عناصر جداگانه با هم کار می کنند تا رفتارهای نوری منحصر به فردی را ایجاد کنند که تنها از طریق عملیات ترکیبی آنها امکان پذیر است.

در حالی که محققان بر روی نمونه‌های اولیه متمرکز بودند، محققان  مدل‌های کامپیوتری دقیقی ساختند که تأثیر انرژی بالقوه پوشش یک ساختمان فرضی را در این نوع نمای پویا تحلیل می‌کرد. این تیم همچنین الگوریتم‌های کنترلی مختلفی را برای فعال یا غیرفعال کردن لایه‌ها در پاسخ به شرایط تغییر محیط شبیه‌سازی کردند. اگر  فقط یک لایه وجود داشت که بر تعدیل انتقال نور نزدیک به مادون قرمز تمرکز می کرد ، به طوری که حتی قسمت مرئی طیف را لمس نمی کرد متوجه می شدید که می توانید سالانه حدود 25٪ در انرژی گرمایش، سرمایش و روشنایی از طریق یک استاتیک صرفه جویی کنیم.

در جدیدترین مطالعه، الگوریتم‌های کنترل توسط انسان‌ها طراحی شده‌اند، اما چالش بهینه‌سازی آنها یک کار ایده‌آل برای هوش مصنوعی خواهد بود یا به عبارتی یک جهت احتمالی آینده برای این تحقیق. ایده ساختمانی که بتواند یاد بگیرد که بتواند این آرایه پویا را خود به تنهایی برای بهینه سازی تغییرات فصلی و روزانه در شرایط خورشیدی تنظیم کند  برای ما بسیار هیجان انگیز است. محققان همچنین در حال کار بر روی این هستند که چگونه این کار را به طور موثر افزایش دهند تا بتوانند کل ساختمان را پوشش دهند. این کار مستلزم تلاش است، اما با توجه به اینکه این کار را می توان با مواد ساده، غیر سمی و کم هزینه انجام داد، این یک چالش است که می توان آن را حل شده در نظر گرفت.