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  華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)受到北極海豹鼻甲骨生物特性的啟發(fā)，首次提出并構(gòu)建了異構(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。

  11月21日相關(guān)研究成果以“A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

  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)用始終面臨的核心挑戰(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。此問題的關(guān)鍵在于，呼吸過程中產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流會(huì)顯著破壞口罩與面部間的靜態(tài)熱濕平衡，降低面罩的熱交換效率，導(dǎo)致傳統(tǒng)面罩難以兼顧 “熱濕調(diào)控”與“呼吸通暢”的需求。此前，研究人員嘗試通過兩種路徑解決此問題，但均存在明顯局限：①采用低導(dǎo)熱、低中紅外發(fā)射率的織物材料提升靜態(tài)保溫性能，但經(jīng)緯編織的開放式孔隙織物結(jié)構(gòu)難以抑制強(qiáng)制對(duì)流熱損失（僅0.5 m/s氣流即可導(dǎo)致織物微環(huán)境內(nèi)30%以上熱量流失）；②利用熱濕交換器（HMEs）通過過濾材料吸收呼氣余熱和水分，但這類設(shè)備體積大、重量高、呼吸阻力大，且存在二氧化碳蓄積的“死腔”，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間戶外使用需求。

圖1 MetaMask異構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

  團(tuán)隊(duì)通過“非對(duì)稱輻射調(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：

  1）通過非對(duì)稱光熱結(jié)構(gòu)增強(qiáng)“捕獲”人體紅外輻射熱量；

  2）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；

  3）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（圖1）。為系統(tǒng)驗(yàn)證MetaMask在寒冷環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用性能，在-20℃條件下開展人體實(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（圖2）。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。此外，MetaMask 還具備多維度優(yōu)勢(shì)：紫外線防護(hù)系數(shù)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)商用面料，服役性能優(yōu)異，且兼具自清潔能力，實(shí)現(xiàn)了防護(hù)性能、耐用性與使用舒適性的協(xié)同優(yōu)化。

圖2 低溫環(huán)境人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

  團(tuán)隊(duì)提出的MetaMask突破了寒冷環(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)化門檻，為規(guī)模化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。未來(lái)，該設(shè)計(jì)理念可延伸至極地科考、寒冷地區(qū)戶外救援等極端場(chǎng)景，為全球寒冷環(huán)境作業(yè)、運(yùn)動(dòng)及日常防護(hù)提供 全方位解決方案，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。

  華中科技大學(xué)陶光明教授（體育學(xué)院聯(lián)合聘任教授）為論文通訊作者，華中科技大學(xué)體育學(xué)院為作者第一署名單位，體育學(xué)院曾洪濤教授、孫競(jìng)波教授、周霄副教授從分別從運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和健康促進(jìn)等個(gè)維度開展了相關(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)，這是華中科技大學(xué)體育學(xué)院首次在國(guó)際頂尖期刊《Nature》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)了中部地區(qū)體育學(xué)科頂刊“零的突破”。

  論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-025-66489-y