面向寒冷环境热湿调控的异质结构面罩：仿生设计与性能验证

《Nature Communications》：A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments

在寒冷环境中，现有面罩难以平衡面部保暖、保湿与透气需求。本研究开发了一种名为MetaMask的异质结构面罩，通过非对称辐射调控与冷凝-蒸发协同策略，实现了呼出气体中82.1±0.7%的热量和94.1±1.1%水分的回收，在-20℃环境下将吸入空气加热至26.2℃，同时保障血氧饱和度（SpO2）≥95%。该设计为极端环境下的呼吸防护提供了创新解决方案。

　　

当北极的冷空气席卷北半球，“暖北极冷大陆”的气候模式让极端寒潮成为全球公共卫生的新威胁。在零下20摄氏度的严寒中，人们习惯用口罩或围巾包裹面部，但传统防护方式存在明显短板：高导热性的材料无法有效保存体温，呼出的热空气在接触寒冷外界后迅速冷凝成冰，而减小面料孔隙虽能减缓热量流失，却会显著增加呼吸阻力。更严峻的是，直接吸入干冷空气会损伤呼吸道黏膜免疫机能，甚至引发运动诱发性支气管痉挛（EIB），同时呼吸热损失可占人体总代谢消耗的20%以上。如何在不影响氧气供应的前提下，实现面部微环境的智能温湿调控，成为寒冷环境生存装备的核心挑战。

自然界早已给出精妙答案。北极海豹的鼻腔内嵌着迷宫般的骨性结构，覆有富含黏液的黏膜组织，能在呼吸过程中捕获约72%的热量与94%的水分。受此启发，华中科技大学陶光明教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表研究成果，提出一种名为MetaMask的异质结构面罩。该设计通过仿生学原理与材料创新，融合非对称辐射控制与冷凝-蒸发机制，实现了呼气热量与水分的高效回收。

技术方法概要

研究通过编织、热压与激光打孔等可扩展工艺制备MetaMask，其结构包含银涂层外层（低红外发射率）、棉质内层（高红外发射率）及垂直取向的聚酯纤维间隔层。利用有限元模拟分析呼吸过程中的热传递机制，并通过定制环境舱（-20℃）开展人体试验（n=9-15），监测吸入空气温度、相对湿度、血氧饱和度（SpO₂）及一秒用力呼气量（FEV₁）等生理参数。

异质结构设计与热调控机制

MetaMask的核心创新在于四层异质结构：外层为银涂层织物（中红外发射率35.51%），内层为棉质高发射材料，中间由聚酯纤维构成间隔层，层间通过聚氨酯（PU）薄膜连接。该结构通过两种物理效应协同作用：一方面，间隔纤维与空气的接触面积较传统面料提升数倍，延长热交换时间；另一方面，非对称发射率设计使人体辐射热被高效捕获于间隔层内，而外层低发射率特性抑制向外辐射散热。有限元模拟显示，呼气时纤维温度迅速升高，吸气时冷空气与预加热纤维接触后温度梯度达峰值，实现“热蓄电池”效应。

性能表征：从紫外防护到抗结霜

MetaMask的紫外线防护系数（UPF）达52951，远超棉布（UPF=63）和商用口罩（UPF=1319）。其表面接触角为131.5°，具备疏水自清洁特性，经300次磨损循环后红外发射率仍保持稳定。通过调控内外层孔径（外层r₁=1.3 mm，内层r₂=1.0 mm），在保证呼吸阻力（ΔP=44 Pa/cm²）与商用口罩相近的同时，将吸入空气加热温差（ΔT）最大化。值得注意的是，PU薄膜与间隔纤维的冷凝-蒸发循环使水蒸气传输率低至0.13 g·cm^-2·day^-1，为抗结霜奠定基础。

热湿回收效能与抗冻表现

在-20℃环境舱试验中，MetaMask对单次呼吸周期的热量回收效率达82.1±0.7%，水分回收效率达94.1±1.1%。光学显微镜观察显示，间隔纤维在100秒内即可捕获可见水滴，且表面结霜量可忽略不计。对比商用口罩在15分钟内形成的致密冰层，MetaMask凭借低水汽透过率与快速蒸发能力，有效阻断冰晶生长路径。

人体试验验证生理保护效能

13名受试者在高强度运动（达到最大心率85%）测试中，佩戴MetaMask时吸入空气温度稳定在26.2±1.8℃，面部皮肤温度达27.6±1.4℃，较商用口罩组提升115%与16%。红外热成像显示MetaMask表面温度波动微弱，暗示其具备红外伪装潜力。关键的是，MetaMask组运动后FEV₁无下降，而无口罩组与商用口罩组分别出现25%以上的FEV₁降幅，提示后者可能诱发中度EIB。在血氧监测中，MetaMask组SpO₂始终≥95%，而四层口罩组因高呼吸阻力在运动18分钟后SpO₂降至89%。

结论与展望

本研究通过仿生设计打破传统热管理思路，将静态隔热材料转化为动态热湿回收系统。MetaMask不仅解决寒冷环境中呼吸防护的痛点，其可扩展制造工艺与多功能集成特性（抗结霜、紫外防护、低呼吸阻力）为极端环境可穿戴设备设立新标准。该技术有望应用于高原科考、极地探险及冬季运动等领域，为人类应对气候变化的健康挑战提供创新工具。