多倫多大學研究人員設計的新型低成本“光射流”系統鈥攁靈感來源于魚類、螃蟹和磷蝦等海洋生物鈥攃通過動態改變建筑外觀，可以幫助建筑節約能源。

應用科學與工程學院材料科學與工程系的碩士生拉斐爾·凱（Raphael Kay）說：“我認為把建筑物視為活的有機體，這一類比并沒有延伸太多。”拉斐爾·凱（Raphael Kay）是本·哈頓（Ben Hatton）教授在該系的導師。

Kay解釋說：“它們有一個新陳代謝過程，即向內和向外的能量流。它們必須對不斷變化的環境條件做出反應，以保持內部舒適且功能良好。”。

雖然建筑物目前依靠諸如供暖和空調等機械系統來維持舒適的室內溫度，凱指出，許多動物直接在表面調節能量傳遞鈥攖帽子是，他們的皮膚。

磷蝦鈥攕類hrimp的海洋生物，在海洋的某些區域大量繁殖鈥攁再透明，這意味著紫外線可以損害其內部器官。作為回應，他們開發了一種動態遮光系統，將色素顆粒穿梭在皮膚下方的細胞中，當光線太亮時，色素顆粒會變暗，當太陽逐漸暗淡時，色素顆粒會再次變亮。

建筑物也有一層“表皮”，由外墻和窗戶組成。但今天，這些外層大多是靜態的和不變的。因此，進入建筑物的光和熱量通常過高或過低，迫使供暖、制冷和照明系統比其他系統更努力地工作。

“舉個簡單的例子，想象一下當你需要更多的日光或太陽能時打開百葉窗，當你需要更少的陽光或太陽能時關閉百葉窗，”凱說。

“這確實節省了能源，但它相當粗糙。為了獲得全部好處，你需要對這樣一個系統進行自動化和優化，以實時平衡一系列因素，從溫度、太陽能強度、角度和方向的變化到建筑物居住者不斷變化的需求。”

目前有一些技術可以開始實現這一點：在傳統卷簾上增加計算機控制的電機，或者安裝電致變色窗口，這些窗口可以根據施加的電壓改變其不透明度。

但總體而言，Kay認為當前的工具集既過于昂貴，又過于有限。

“幾乎所有這些系統都很昂貴，依賴復雜的制造程序，或者只能在有限的不透明范圍內切換鈥攆例如，從非常暗到只有一點暗，”他說也很難實現精細的空間漸變，例如著色窗格的一部分，但不著色另一部分。"

在本月發表在《自然通訊》上的一篇論文中，凱、哈頓和他們的研究團隊描述了一種克服這些限制的新范式。原型光射流電池由一層約1毫米厚的礦物油組成，夾在兩塊透明塑料板之間，由機械工程博士Charlie Katrycz開發。

通過連接到細胞中心的管子，研究人員可以注入少量含有色素或染料的水。注入這種水“客液”會產生一種顏色，可以通過雙向運行的數字泵進行控制。添加更多的水會使水華變大，而去除一些水會使水華變小。

水華的形狀可以由泵的流速控制：低流速導致大致呈圓形的水華，而高流速導致復雜的分支模式。

哈頓說：“我們感興趣的是如何利用綠色、可持續的化學物質的‘封閉流體’來改變材料的性質。”。“它用途廣泛：我們不僅可以控制每個細胞中水的大小和形狀，還可以調整水中染料的化學或光學性質。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·丹尼斯建筑、景觀與設計學院助理教授阿爾斯坦·雅庫比克（AlstanJakubiec）合作，建立了計算機模型，模擬使用這些電池的全自動優化系統與使用電動百葉窗或電致變色窗的系統相比的情況。

Kay說：“我們發現，與其他兩種選擇相比，我們的系統可以將加熱、冷卻和照明所需的能源減少多達30%。”。“這樣做的主要原因是，我們對遮陽的范圍和時間有更精細的控制。我們的系統類似于在一個房間的不同位置和時間打開和關閉數百個小百葉窗莽艾德。我們可以通過簡單、可擴展和廉價的流體流動來實現這一切。"

該團隊還對藝術可能性進行了推測。大量的細胞陣列可以像像素一樣工作，創造出能夠制作點畫風格藝術品的光流體顯示器。在他們的模型中，研究小組甚至模擬了阿爾伯特·愛因斯坦和瑪麗蓮·夢露的照片。

哈頓希望，利用動態外墻來節約能源的想法將改變圍繞建筑設計和氣候變化的對話。

哈頓說：“在發達國家，建筑對我們40%的排放量負有責任，這比任何其他單個部門都要多。”。

“部分原因是我們的建筑設計缺乏靈活性。動態、適應性的建筑可以減少我們必須克服的溫度和日光梯度，并可能節省大量能源。我們希望我們的貢獻能激發人們的想象力。”