《BUILDING AND ENVIRONMENT》：The Preparation and Design of the Pine-Cone Inspired Personal Heat and Moisture Management Garment
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•设计了一款受松果启发的双层自适应面料。•确定胸围放松量，以优化服装合体性与吸湿速干性能之间的权衡。•穿着试验证实该智能服装能够抑制热量积聚。•即使在无风条件下，衣物内部的湿度也得到了降低。引言仿生设计已成为开发具有先进热湿调节性能的高性能纺织品的强大范式。通过从自然系统进化
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设计了一款受松果启发的双层自适应面料。
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确定胸围放松量，以优化服装合体性与吸湿速干性能之间的权衡。
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穿着试验证实该智能服装能够抑制热量积聚。
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即使在无风条件下，衣物内部的湿度也得到了降低。
引言
仿生设计已成为开发具有先进热湿调节性能的高性能纺织品的强大范式。通过从自然系统进化出的层级表面结构与刺激响应机制中汲取灵感，近期的进展使纺织品能够集成智能和动态功能，主动调节近肤微气候 [1,2]。Xiao 等人 [3] 直接从植物叶片气孔的气体交换生理过程中获得生物启发，设计了一款嵌有热响应微孔的Janus（双面）结构纺织品。该纺织品实现了微孔关闭与微孔开启之间可逆的动态切换，从而在高效维持单向导汗的同时，共同调节热量散发和水蒸气透过。在平行推进的研究中，研究人员报道了一种模仿人工气孔的针织纺织品，集成了聚丙烯酰胺水凝胶驱动器 [4]。该系统在暴露于湿气时自主触发微孔开启，在出汗高湿条件下显著提升了透气性能。受叶片气孔启发，一种具有空间不对称溶胀系数的类叶片气孔织物能够在5秒内对湿气作出响应，同时增强了湿态透气性、热调节能力和穿着舒适性。通过27°C环境下3名受试者的穿着试验，证实其微气候温度降低了0.96°C [5]。总体而言，这些进展确立了仿生驱动策略能够将本质上静态的纺织结构重构为自适应、刺激响应的界面，动态响应热或水的信号，为主动调节开辟了零能耗路径。
另一个典范性例子是松果效应，即松果鳞片会根据空气湿度的变化自动开合，从而提高种子的存活率 [6,7]。通过模仿松果鳞片的自动开合效应，研究人员开发了吸湿响应的松果启发性面料 [8]。Nike [9] 制造了一种仿生、湿敏原型纺织品，通过U形翻片复制了松果鳞片的吸湿运动。该面料利用各层材料在吸收和溶胀速率上的差异，对湿度变化作出响应。在机械上，这种自适应性能由一种双层结构所支配，该结构由外层疏水聚酯基布和下方亲水聚酰胺薄膜组成。一种受松果效应启发的生物基织物被制造出来，其特征是利用特定细菌（如枯草芽孢杆菌细胞）的吸湿膨胀效应 [10]。这种膨胀导致表面微印乳胶细胞向外弯曲。在低湿状态下，该材料会恢复至原始状态，从而促进热和湿交换。Dawson 等人通过工业层压工艺将聚酯织物与亲水聚醚-聚酯嵌段共聚物薄膜以及亲水聚合物粘合剂进行整合 [11]。吸湿性聚醚层在响应水蒸气时选择性溶胀，启动微孔扩张以加速热量散发。一项中国专利描述了一种自适应、湿敏纺织品，由亲水功能层、疏水功能层和胶黏薄膜组成 [12]。亲水层采用高吸湿性的聚氨酯/聚乙烯复合膜，而疏水层采用低吸湿性的聚酯。这种三层结构被设计为在开启与关闭状态之间动态驱动，从而在体力活动期间加速汗水蒸发和热量散发 [13]。尽管这些开创性研究展示了创新的概念，但其制造工艺通常复杂，且局限于材料层面的讨论。因此，文献研究中尚未报道任何人体试验；因此，这些自适应纺织品在实际生理和运动表现中的实证有效性仍未得到证实。
服装是人身体与周围环境之间的关键热界面，通过介导热和湿交换，在调节人体热调节和热舒适中发挥着关键作用 [14]。服装与人体之间的热湿交换与服装和皮肤表面之间形成的空气层厚度有关 [15]。对流和蒸发是人体部位散热的两种主要机制 [16]。服装微气候中自然对流的出现以及服装通风的发展在很大程度上依赖于织物与人体之间的局部空气间隙厚度，使其成为准确模拟人体热生理反应的重要参数 [17]。先前的研究表明，扩大服装通风口和加厚空气层可以增强热和水蒸气的交换 [18]。在外部设计中，增大通风口尺寸可以显著提升服装通风；而通风口位置的 effectiveness 与服装和人体之间的局部空气间隙厚度密切相关 [19]。研究发现，增加空气层厚度可以增强有风条件下的对流散热；然而，在静止条件下过厚的空气层可能因促进空气停滞而阻碍热传递 [20]。因此，在胸部和腰部区域较厚的空气层中增加通风口可能加快气流速度，从而增强服装的散热或湿传递性能。在湿热环境条件下（温度≥35°C，相对湿度≥60%），对流和辐射散热变得受限，导致体温迅速升高。在这种情况下，出汗和蒸发冷却成为散热的主要生理机制 [21]。文献研究 [[22], [23], [24]] 显示人体不同部位的出汗率存在显著差异。具体而言，躯干的出汗率通常高于手臂，背部高于前躯干，并从躯干中央向侧向区域逐渐降低（不包括腋窝）。因此，在运动服中合理布局通风区和功能区可以促进局部热湿散发，从而提高热舒适度。
在本研究中，通过将亲水聚氨酯层（主动层）整合到疏水聚酯/氨纶基布（被动层）上，并配合局部弧形叶片状切口，制造了一款松果启发的智能服装。这种双层结构使切口能够根据湿度（水或汗液）的变化自主开合，从而在无外部能源的情况下产生被动、自驱动的通风效果。根据上身汗液分布和服装-人体空气层厚度的热传递特征，对吸湿区及胸围放松量进行了进一步的空间优化。通过人体穿着试验，在无风和有风条件下，使用生理指标和主观舒适度指标对该设计服装进行了系统评估。本研究表明，松果启发的湿敏机制可被应用于可穿戴通风系统，是一次早期示范。值得注意的是，在实际穿着条件下，该系统证明被动湿敏驱动能够有效降低人体运动和运动时的人体皮肤温度和心率，且无需外部能源输入。
章节摘要
材料与仪器
本研究所用的原材料如下：95%/5% 聚酯/氨纶纬编针织面料，克重为180 g/m2（中国揭阳汤氏纺织有限公司），聚氨酯颗粒Elastollan? PU 1180A（德国巴斯夫公司），以及四氢呋喃（THF，纯度≥99.5%，中国上海凌风化学试剂有限公司）。
使用激光打标机（中国汉斯激光科技集团有限公司）在面料上制作弧形切口。使用加湿器
空气层厚度对功能性面料吸湿速干性能的影响
空气层厚度与功能性面料叶片响应之间的关系如图6所示。最大开启角度随空气层厚度增加而逐渐减小，所有测量值均窄幅分布在81.0°至83.9°之间。与此同时，叶片开启时间随空气层厚度的增加而稳步上升，介于47至52秒之间。当空气层厚度为1厘米时，松果启发性面料的叶片开启角度达到83.9°的峰值。
结论
本研究系统考察了一款具有梯度吸湿性能的新型松果启发性仿生服装的热调节与透湿响应。通过利用功能性涂层改性及激光切割技术，自适应面料集成了具有不同吸湿能力的双层结构，以提升舒适度和促进散热。该自适应服装已设计有针对性的吸湿功能区域。该
作者贡献声明（CRediT）
张承娇：写作—审阅与编辑，写作—原稿，方法学，资金获取。严雨杰：调查，可视化，方法学，形式分析。邓佳：数据整理，调查。胡怡文：验证，方法学。魏树涛：验证，方法学。杨薇薇：写作—审阅与编辑，监督，调查，方法学，概念构思。
资金支持
本工作由国家科技重大专项—新发与重大传染病（项目编号：2025ZD01902300）支持。
生成式AI使用声明
在撰写本稿件过程中，作者使用了Doubao-AI（由字节跳动开发）来优化句子结构并提高可读性。使用此工具后，作者审阅并编辑了内容，并对本出版物承担全部责任。
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张承娇：写作—审阅与编辑，写作—原稿，可视化，方法学，资金获取。严雨杰：可视化，方法学，调查，形式分析。魏树涛：验证，方法学。邓佳：调查，数据整理。胡怡文：验证，方法学。杨薇薇：写作—审阅与编辑，可视化，监督，方法学，调查，概念构思。
张承娇|严雨杰|魏树涛|邓佳|胡怡文|杨薇薇
