一作兼通讯！一件衣服，登上Science！

如何穿得舒适，还能保持凉爽？

2000年至2019年间，全球每年有超过48万人死于高温相关原因。在美国，空调系统平均占温室气体排放总量的12.3%，这加剧了全球变暖的恶性循环：制冷技术推升全球气温，进而导致制冷需求增长。日益频繁的全球热浪正将传统服装推向性能极限，催生了对个人冷却解决方案的需求。可持续冷却可穿戴设备应运而生，例如采用再生塑料瓶制成的透气纺织品和太阳能驱动的主动冷却装置，这些技术能在减少空调依赖的同时提供极端高温防护。

近日，香港理工大学寿大华教授作为第一作者兼通讯作者，在 Science 期刊上发表了一篇题为“Sustainable personal cooling in a warming world”的展望文章。该文系统探讨了如何通过织物结构设计实现可持续的个人冷却，为解决全球变暖背景下的热管理挑战提供了新的思路。

冷却主要通过四种机制实现：辐射、传导、对流和蒸发。出汗等自然人体冷却过程依赖蒸发机制——水分从皮肤蒸发时带走热量从而降低体温。而工程材料则通过调控辐射、传导和对流来实现温控。

辐射冷却：光谱选择性材料可调控特定波长电磁辐射（如光与热）的透射、反射和吸收。这类纺织品能有效阻隔外部环境辐射热并散发体热。例如，一种对人体中红外辐射（7-14μm）透明的纳米多孔聚乙烯织物，比棉织物可实现额外2.0℃的人工皮肤冷却效果。采用随机分散优化粒径与折射率颗粒的多层超材料织物，能散射反射紫外至近红外波段（0.3-2.5μm）的太阳辐射。这些纺织品通过大气透明窗口（8-13μm波长范围）向寒冷外太空辐射热量，但会吸收地面及建筑物发射的广谱城市热辐射（2.5-20μm）。目前已开发出能发射体表中红外辐射同时选择性减少城市热吸收的多级结构织物。尽管前景可观，辐射冷却仍受环境因素制约：水分和污染会破坏辐射路径并蓄积热量，且根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，辐射传热随温度呈指数增长，需要足够的体表与环境温差，这在室内常受限制。融合对流和蒸发等其他机制可提升实际条件下的冷却性能。

传导，通过原子振动、分子碰撞或电子传输实现热传递。纺织品接触皮肤时的冷热感知取决于其热容（升高特定温度所需能量）和热导率。常添加氮化硼颗粒等高热导率填料增强传导冷却；而优异绝热体（如静止空气）可阻隔极端环境热传递。受北极熊中空毛发启发的可编织气凝胶封装纤维，凭借高比例嵌入空气实现卓越隔热。

对流，由空气或流体驱动的对流通过通风散发热量。采用湿度响应纤维制成的多孔透气织物配合巧妙设计的flap结构，能促进热空气排出与冷空气吸入。对流还可通过加速皮肤汗液蒸发增强冷却效果。优化织物润湿性、纤维形状和孔径能导离多余汗液，提升蒸发效率并防止汗液蓄积。

融合先进纺织品与智能可穿戴技术可实现动态适应环境的可控冷却系统。虽然风扇服装和液冷背心（可选配相变材料）等商用产品已展现快速冷却能力，但常受限于过重重量和能耗。另一种轻质可穿戴变辐射装置，通过可调发射率与三维剪纸结构动态调控传热，将热舒适区扩展4.9℃。此外，柔性有机光伏模块与双向电热装置（通过电场施加/移除实现加热冷却）结合，可打造热舒适区达12.5-37.6℃的温控服装。尽管取得进展，许多可穿戴设备仍面临灵活性不足、电池续航短和线路复杂等局限。

传统个人冷却技术在静态条件下表现良好，但难以应对动态环境。开发响应式纺织品和自适应可穿戴设备是关键突破口。亟需实现根据温湿度变化或电场等外部刺激，自主调节纤维直径形状、孔隙率、厚度及热属性（导热性/发射率/反射率）的功能（见图）。这些功能可催生新模式选择温控策略——在特定温湿度范围内调控主导冷却机制：例如低湿高温环境下蒸发冷却更高效，而高湿条件下对流冷却更有利。类似二极管的单向传热概念（热量只出不进），可在极端温度严酷环境中实现高效定向温控。

穿得漂亮，保持凉爽。传统的可穿戴设备难以有效地释放热量和湿气。这些织物在极热下很快就会被汗水浸湿。将先进的纺织品与分层结构和智能可穿戴设备相结合，可以提供可持续的身体冷却。这些工程材料可以通过动态响应大气温度和湿度的变化来自我调节热量和排出汗水。

人工智能通过分析可穿戴传感器实时监测的体温、汗液、心率、湿度和压力数据，可预测个人冷却需求。这些智能系统能主动启动个性化冷却，并仅针对检测到的不适反应避免过冷。整合纺织传感器、纤维冷却器和柔性储能系统，可通过收集人体与环境能量（利用摩擦电/压电/热电/湿气发电机将机械能/热能/湿气能转化为电能），甚至利用汗液和血液中的营养物质实现主动冷却。例如嵌入纳米粒子的智能织物具有高太阳辐射反射率和红外发射率，能有效实现热电自持续冷却。机器学习等人工智能技术还可通过优化四大冷却机制，设计全天候冷却技术——利用多目标优化系统探索织物厚度、结构架构、纤维直径、孔隙率和材料成分等参数，动态适应环境变化与人类活动，实现定制化冷却性能。

以人为本的设计需平衡性能、耐用性和穿戴舒适度。拙劣的纺织品设计会导致过度出汗，通过降低近红外反射率和增加吸热率损害传热效率。浸透汗液的衣物不仅加重重量，还会对可见光透明化影响遮阳能力。此外滞留水分会降低织物渗透性，削弱对流和蒸发冷却。应对策略包括：仿生织物能沿特定方向以液滴形式转移汗液，比蒸发干燥更高效；可水洗穿戴式电渗系统通过低电压驱动汗液透过织物，即使大量出汗也能保持皮肤干爽透气；多级纳米微结构织物通过优化表面积提升辐射发射率和太阳反射率，增强导湿散热能力。这些先进纺织品与智能可穿戴设备有望显著提升冷却效率，同时减少过度排汗和能耗。

下一代冷却技术应优先考虑可持续性。纺织业占全球温室气体排放5-10%，57%的废弃服装进入填埋场，25%被焚烧。使用单一材料而非混纺可提升可回收性。许多冷却技术依赖表面涂层和化学处理，可能带来环境风险。天然纤维（如具有固有多级微结构的丝绸和羊毛）可优化用于太阳反射和蒸发冷却。未来应聚焦与现有系统兼容的可持续且成本效益高的方法，以加速推广应用。

然而要实现稳健可持续的个人冷却技术大规模应用，仍需解决多项挑战：整合纺织工程、人工智能、热力学、柔性电子和材料科学等多学科冷却机制和方法仍有改进空间；需要广泛建立冷却功率、性能系数（冷却效率与能耗比）、终端用户接受度和用户特定指标（热感觉/体温/代谢率）等标准化。

个人冷却技术不仅改变日常生活，更能满足极端环境下的关键需求。例如建筑工人、农业劳动者和消防员持续暴露于高温环境，高效冷却解决方案对预防中暑、保障安全与生产力至关重要。户外运动爱好者也可受益于配备生物传感器和自适应温控技术的胸带或主动冷却背心等智能设备。可持续个人冷却系统不止提供舒适性，更能在快速变化的气候环境下增强人类健康与表现。

来源：高分子科学前沿

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