【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】11月21日，體育學(xué)院聯(lián)合聘任教授陶光明團(tuán)隊(duì)的研究成果“一種用于寒冷環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)面部防護(hù)罩(A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments)”于《自然·通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。受到北極海豹鼻甲骨生物特性的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)首次提出并構(gòu)建異構(gòu)形態(tài)結(jié)構(gòu)面罩(MetaMask)，在寒冷環(huán)境防護(hù)裝備研發(fā)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
 

　　盡管寒冷氣候常常被全球變暖事件所掩蓋，但由“北極暖冷大陸”模式驅(qū)動(dòng)的北半球前所未有的寒流可能會(huì)成為對(duì)全球公共衛(wèi)生的重大且被低估的威脅。在寒冷環(huán)境下，佩戴面罩是預(yù)防呼吸道疾病的關(guān)鍵手段之一，但其應(yīng)用面臨的核心挑戰(zhàn)是如何在保障充足氧氣攝入的同時(shí)，維持面部微環(huán)境的熱濕舒適性。
 

圖為MetaMask異構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。
 

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)“非對(duì)稱(chēng)輻射調(diào)控”與“冷凝-蒸發(fā)協(xié)同”雙策略，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面打破“熱濕調(diào)控與透氣”固有矛盾。該面罩集成三大功能模塊形成閉環(huán)熱濕調(diào)控機(jī)制：一是通過(guò)非對(duì)稱(chēng)光熱結(jié)構(gòu)增強(qiáng)“捕獲”人體紅外輻射熱量；二是依托間隔織物層內(nèi)豐富的纖維-空氣接觸面強(qiáng)化熱傳遞效率；三是借助交錯(cuò)分布的周期性孔隙結(jié)構(gòu)，在保障呼吸通暢的同時(shí)延長(zhǎng)氣流滯留時(shí)間，為熱交換創(chuàng)造充足條件。具體而言，呼氣階段，溫暖潮濕氣流流經(jīng)織物層時(shí)，纖維快速吸收顯熱并通過(guò)冷凝收集水分；吸氣階段，外界寒冷干燥氣流與預(yù)加熱纖維表面接觸，纖維同步釋放儲(chǔ)存熱量與水分，完成對(duì)空氣的加熱與加濕。
 

　　為系統(tǒng)驗(yàn)證MetaMask在寒冷環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用性能，團(tuán)隊(duì)在-20℃條件下開(kāi)展人體實(shí)驗(yàn)，從熱濕調(diào)控、肺功能保護(hù)及攝氧保障三個(gè)核心維度量化評(píng)估其綜合效能。在熱調(diào)控性能方面，MetaMask在單呼吸周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)82.1±0.7%的熱回收與94.1±1.1%的水分回收，可將吸入空氣溫度提升至26.2±1.8℃(較商用面罩高115%)，面部皮膚溫度維持在27.6±1.4℃(較商用面罩高16%)。歸因于MetaMask高效的水分回收特性導(dǎo)致其長(zhǎng)期使用表面幾乎無(wú)結(jié)霜，解決了傳統(tǒng)面罩低溫環(huán)境易結(jié)霜的問(wèn)題。在肺功能保護(hù)方面，MetaMask可有效緩解運(yùn)動(dòng)性支氣管收縮：佩戴MetaMask運(yùn)動(dòng)后的受試者1秒用力呼氣量無(wú)明顯下降。在攝氧情況方面，MetaMask能確保不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的正常氧氣攝入：在不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)受試者血氧飽和度始終維持在正常范圍，而多層面罩因呼吸阻力高，在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)10分鐘后血氧飽和度顯著降至89%，證明其在保障呼吸通暢與氧氣攝入上的可靠性。MetaMask還實(shí)現(xiàn)防護(hù)性能、耐用性與使用舒適性等的協(xié)同優(yōu)化。
 

圖為低溫環(huán)境人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。
 

　　團(tuán)隊(duì)提出的MetaMask突破寒冷環(huán)境下面罩“熱濕調(diào)控與透氣”的固有矛盾，為該場(chǎng)景面罩設(shè)計(jì)、應(yīng)用及性能優(yōu)化提供創(chuàng)新性技術(shù)思路。應(yīng)用價(jià)值上，該技術(shù)已為相關(guān)國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)提供技術(shù)支持，驗(yàn)證了極端低溫下的性能可靠性。產(chǎn)業(yè)化層面，其無(wú)需特殊定制設(shè)備或高成本加工工藝，大幅降低技術(shù)轉(zhuǎn)化門(mén)檻，為規(guī)?；a(chǎn)奠定基礎(chǔ)。未來(lái)，該設(shè)計(jì)理念可延伸至極地科考等極端場(chǎng)景，對(duì)提升公共衛(wèi)生防護(hù)水平、推動(dòng)防護(hù)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)具有重要戰(zhàn)略意義。
 

　　我校博士生吳嘉威、碩士生張子韓和首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院周寧教授為論文共同第一作者，陶光明為論文通訊作者，華科大體育學(xué)院為作者第一署名單位，學(xué)院曾洪濤教授、孫競(jìng)波教授、周霄副教授分別從運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和健康促進(jìn)的三個(gè)維度開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)MetaMask在運(yùn)動(dòng)健康領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。據(jù)悉，這是我校體育學(xué)院首次在國(guó)際頂尖期刊《自然》系列子刊上發(fā)表體工交叉服務(wù)運(yùn)動(dòng)健康論文，實(shí)現(xiàn)中部地區(qū)體育學(xué)科頂刊“零的突破”。