如何穿得舒適，還能保持涼爽？

2000年至2019年間，全球每年有超過(guò)48萬(wàn)人死于高溫相關(guān)原因。在美國(guó)，空調(diào)系統(tǒng)平均占溫室氣體排放總量的12.3%，這加劇了全球變暖的惡性循環(huán)：制冷技術(shù)推升全球氣溫，進(jìn)而導(dǎo)致制冷需求增長(zhǎng)。日益頻繁的全球熱浪正將傳統(tǒng)服裝推向性能極限，催生了對(duì)個(gè)人冷卻解決方案的需求?？沙掷m(xù)冷卻可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，例如采用再生塑料瓶制成的透氣紡織品和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)冷卻裝置，這些技術(shù)能在減少空調(diào)依賴的同時(shí)提供極端高溫防護(hù)。

近日，香港理工大學(xué)壽大華教授作為第一作者兼通訊作者，在 Science 期刊上發(fā)表了一篇題為“Sustainable personal cooling in a warming world”的展望文章。該文系統(tǒng)探討了如何通過(guò)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的個(gè)人冷卻，為解決全球變暖背景下的熱管理挑戰(zhàn)提供了新的思路。

冷卻主要通過(guò)四種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流和蒸發(fā)。出汗等自然人體冷卻過(guò)程依賴蒸發(fā)機(jī)制——水分從皮膚蒸發(fā)時(shí)帶走熱量從而降低體溫。而工程材料則通過(guò)調(diào)控輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控。

輻射冷卻：光譜選擇性材料可調(diào)控特定波長(zhǎng)電磁輻射（如光與熱）的透射、反射和吸收。這類紡織品能有效阻隔外部環(huán)境輻射熱并散發(fā)體熱。例如，一種對(duì)人體中紅外輻射（7-14μm）透明的納米多孔聚乙烯織物，比棉織物可實(shí)現(xiàn)額外2.0℃的人工皮膚冷卻效果。采用隨機(jī)分散優(yōu)化粒徑與折射率顆粒的多層超材料織物，能散射反射紫外至近紅外波段（0.3-2.5μm）的太陽(yáng)輻射。這些紡織品通過(guò)大氣透明窗口（8-13μm波長(zhǎng)范圍）向寒冷外太空輻射熱量，但會(huì)吸收地面及建筑物發(fā)射的廣譜城市熱輻射（2.5-20μm）。目前已開(kāi)發(fā)出能發(fā)射體表中紅外輻射同時(shí)選擇性減少城市熱吸收的多級(jí)結(jié)構(gòu)織物。盡管前景可觀，輻射冷卻仍受環(huán)境因素制約：水分和污染會(huì)破壞輻射路徑并蓄積熱量，且根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，輻射傳熱隨溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)，需要足夠的體表與環(huán)境溫差，這在室內(nèi)常受限制。融合對(duì)流和蒸發(fā)等其他機(jī)制可提升實(shí)際條件下的冷卻性能。

傳導(dǎo)，通過(guò)原子振動(dòng)、分子碰撞或電子傳輸實(shí)現(xiàn)熱傳遞。紡織品接觸皮膚時(shí)的冷熱感知取決于其熱容（升高特定溫度所需能量）和熱導(dǎo)率。常添加氮化硼顆粒等高熱導(dǎo)率填料增強(qiáng)傳導(dǎo)冷卻；而優(yōu)異絕熱體（如靜止空氣）可阻隔極端環(huán)境熱傳遞。受北極熊中空毛發(fā)啟發(fā)的可編織氣凝膠封裝纖維，憑借高比例嵌入空氣實(shí)現(xiàn)卓越隔熱。

對(duì)流，由空氣或流體驅(qū)動(dòng)的對(duì)流通過(guò)通風(fēng)散發(fā)熱量。采用濕度響應(yīng)纖維制成的多孔透氣織物配合巧妙設(shè)計(jì)的flap結(jié)構(gòu)，能促進(jìn)熱空氣排出與冷空氣吸入。對(duì)流還可通過(guò)加速皮膚汗液蒸發(fā)增強(qiáng)冷卻效果。優(yōu)化織物潤(rùn)濕性、纖維形狀和孔徑能導(dǎo)離多余汗液，提升蒸發(fā)效率并防止汗液蓄積。

融合先進(jìn)紡織品與智能可穿戴技術(shù)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境的可控冷卻系統(tǒng)。雖然風(fēng)扇服裝和液冷背心（可選配相變材料）等商用產(chǎn)品已展現(xiàn)快速冷卻能力，但常受限于過(guò)重重量和能耗。另一種輕質(zhì)可穿戴變輻射裝置，通過(guò)可調(diào)發(fā)射率與三維剪紙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)控傳熱，將熱舒適區(qū)擴(kuò)展4.9℃。此外，柔性有機(jī)光伏模塊與雙向電熱裝置（通過(guò)電場(chǎng)施加/移除實(shí)現(xiàn)加熱冷卻）結(jié)合，可打造熱舒適區(qū)達(dá)12.5-37.6℃的溫控服裝。盡管取得進(jìn)展，許多可穿戴設(shè)備仍面臨靈活性不足、電池續(xù)航短和線路復(fù)雜等局限。

傳統(tǒng)個(gè)人冷卻技術(shù)在靜態(tài)條件下表現(xiàn)良好，但難以應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境。開(kāi)發(fā)響應(yīng)式紡織品和自適應(yīng)可穿戴設(shè)備是關(guān)鍵突破口。亟需實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫濕度變化或電場(chǎng)等外部刺激，自主調(diào)節(jié)纖維直徑形狀、孔隙率、厚度及熱屬性（導(dǎo)熱性/發(fā)射率/反射率）的功能（見(jiàn)圖）。這些功能可催生新模式選擇溫控策略——在特定溫濕度范圍內(nèi)調(diào)控主導(dǎo)冷卻機(jī)制：例如低濕高溫環(huán)境下蒸發(fā)冷卻更高效，而高濕條件下對(duì)流冷卻更有利。類似二極管的單向傳熱概念（熱量只出不進(jìn)），可在極端溫度嚴(yán)酷環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效定向溫控。

穿得漂亮，保持涼爽。傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備難以有效地釋放熱量和濕氣。這些織物在極熱下很快就會(huì)被汗水浸濕。將先進(jìn)的紡織品與分層結(jié)構(gòu)和智能可穿戴設(shè)備相結(jié)合，可以提供可持續(xù)的身體冷卻。這些工程材料可以通過(guò)動(dòng)態(tài)響應(yīng)大氣溫度和濕度的變化來(lái)自我調(diào)節(jié)熱量和排出汗水。

人工智能通過(guò)分析可穿戴傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的體溫、汗液、心率、濕度和壓力數(shù)據(jù)，可預(yù)測(cè)個(gè)人冷卻需求。這些智能系統(tǒng)能主動(dòng)啟動(dòng)個(gè)性化冷卻，并僅針對(duì)檢測(cè)到的不適反應(yīng)避免過(guò)冷。整合紡織傳感器、纖維冷卻器和柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)，可通過(guò)收集人體與環(huán)境能量（利用摩擦電/壓電/熱電/濕氣發(fā)電機(jī)將機(jī)械能/熱能/濕氣能轉(zhuǎn)化為電能），甚至利用汗液和血液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻。例如嵌入納米粒子的智能織物具有高太陽(yáng)輻射反射率和紅外發(fā)射率，能有效實(shí)現(xiàn)熱電自持續(xù)冷卻。機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)還可通過(guò)優(yōu)化四大冷卻機(jī)制，設(shè)計(jì)全天候冷卻技術(shù)——利用多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)探索織物厚度、結(jié)構(gòu)架構(gòu)、纖維直徑、孔隙率和材料成分等參數(shù)，動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境變化與人類活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定制化冷卻性能。

以人為本的設(shè)計(jì)需平衡性能、耐用性和穿戴舒適度。拙劣的紡織品設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度出汗，通過(guò)降低近紅外反射率和增加吸熱率損害傳熱效率。浸透汗液的衣物不僅加重重量，還會(huì)對(duì)可見(jiàn)光透明化影響遮陽(yáng)能力。此外滯留水分會(huì)降低織物滲透性，削弱對(duì)流和蒸發(fā)冷卻。應(yīng)對(duì)策略包括：仿生織物能沿特定方向以液滴形式轉(zhuǎn)移汗液，比蒸發(fā)干燥更高效；可水洗穿戴式電滲系統(tǒng)通過(guò)低電壓驅(qū)動(dòng)汗液透過(guò)織物，即使大量出汗也能保持皮膚干爽透氣；多級(jí)納米微結(jié)構(gòu)織物通過(guò)優(yōu)化表面積提升輻射發(fā)射率和太陽(yáng)反射率，增強(qiáng)導(dǎo)濕散熱能力。這些先進(jìn)紡織品與智能可穿戴設(shè)備有望顯著提升冷卻效率，同時(shí)減少過(guò)度排汗和能耗。

下一代冷卻技術(shù)應(yīng)優(yōu)先考慮可持續(xù)性。紡織業(yè)占全球溫室氣體排放5-10%，57%的廢棄服裝進(jìn)入填埋場(chǎng)，25%被焚燒。使用單一材料而非混紡可提升可回收性。許多冷卻技術(shù)依賴表面涂層和化學(xué)處理，可能帶來(lái)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。天然纖維（如具有固有多級(jí)微結(jié)構(gòu)的絲綢和羊毛）可優(yōu)化用于太陽(yáng)反射和蒸發(fā)冷卻。未來(lái)應(yīng)聚焦與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容的可持續(xù)且成本效益高的方法，以加速推廣應(yīng)用。

然而要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可持續(xù)的個(gè)人冷卻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，仍需解決多項(xiàng)挑戰(zhàn)：整合紡織工程、人工智能、熱力學(xué)、柔性電子和材料科學(xué)等多學(xué)科冷卻機(jī)制和方法仍有改進(jìn)空間；需要廣泛建立冷卻功率、性能系數(shù)（冷卻效率與能耗比）、終端用戶接受度和用戶特定指標(biāo)（熱感覺(jué)/體溫/代謝率）等標(biāo)準(zhǔn)化。

個(gè)人冷卻技術(shù)不僅改變?nèi)粘Ｉ?，更能滿足極端環(huán)境下的關(guān)鍵需求。例如建筑工人、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者和消防員持續(xù)暴露于高溫環(huán)境，高效冷卻解決方案對(duì)預(yù)防中暑、保障安全與生產(chǎn)力至關(guān)重要。戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者也可受益于配備生物傳感器和自適應(yīng)溫控技術(shù)的胸帶或主動(dòng)冷卻背心等智能設(shè)備。可持續(xù)個(gè)人冷卻系統(tǒng)不止提供舒適性，更能在快速變化的氣候環(huán)境下增強(qiáng)人類健康與表現(xiàn)。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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