综述：超越热舒适：多功能个人热管理可穿戴设备的综合综述

《FlexTech》：Beyond Thermal Comfort: A Comprehensive Review of Multifunctional Personal Thermal Management Wearables

　　

个人热管理（PTM）已成为保护个体健康、减轻社会能源负担和应对全球气候变化的重要前沿领域。尽管传统上侧重于用于局部热舒适的被动式纺织品，但可拉伸、刚柔结合生物电子学的快速发展重新定义了当代PTM的格局。基于对近期文献的统计分析，本综述确立了PTM的扩展范围，包括四个相互关联的方面：热感知（thermal sensing）、热调节（thermal regulation）、热治疗（thermal therapy）和热能收集（thermal energy harvesting）。尽管基本的热力学调节仍是其运行核心，但现代可穿戴设备越来越多地利用多功能材料平台来实现多样化和实用化的应用——从生理诊断和调节到虚拟现实和增强现实的体验需求。研究人员系统地考察了实用的热调节策略，总结了新兴的功能材料平台，并分析了在舒适和非舒适多种场景中面向应用的结果。最后，研究人员解决了阻碍从实验室原型向工业产品转化的关键瓶颈，并对从被动式纺织品向多模态、仿生和数据驱动的智能闭环可穿戴系统的演变提供了前瞻性视角。

1 Introduction（引言）

个人热管理（PTM）是保护个体健康、降低社会能源消耗以及应对全球气候变化的重要前沿。人体核心温度（CBT）必须严格维持在约35°C至37.5°C的生理窗口内，任何偏离都会导致生理和心理损伤。传统供暖、通风和空调（HVAC）系统能耗巨大，扩大设定点范围可显著节能。本文在统计近年文献的基础上，将PTM的范畴从传统的被动热舒适扩展为四个相互关联的方面：热感知、热调节、热治疗和热能收集。可穿戴设备作为PTM的核心架构，其与皮肤形成的共形界面对于减小界面热阻、提升感知保真度和治疗效率至关重要。本文还概述了各章节的组织结构。

2 Statistical Trends of PTM Literature（PTM文献的统计趋势）

作者从2016年至今的300篇候选文献中，通过多步筛选最终纳入202篇原创研究文章，并采用程序化的多标签分类方法，从热学角色、调节机制、材料平台及应用标签等维度进行统计。结果显示，热舒适与调节仍是绝对主导方向，占83.2%；热感知占36.6%；热能收集占15.3%；热治疗占14.9%。在热调节机制中，辐射机制占69.8%（其中辐射特性工程36.6%，光热转换23.8%），传导机制占55.4%，蒸发机制占26.2%。材料平台呈现结构基体与功能材料复合的典型特征，如纺织品、纤维、弹性体与热电材料、相变材料、碳纳米结构、液态金属等相结合。应用标签则反映了从日常热舒适、热应激防护到人机交互及热辅助虚拟/增强现实（VR/AR）等多功能集成趋势。

3 Thermal Regulation Strategies（热调节策略）

热舒适是人体对热环境感到满意的生理状态，皮肤温度受到内部生理状态和外部环境变量的共同调制。人体散热途径包括辐射、蒸发、对流和传导，其中辐射在室温条件下贡献超过50%的热量散失。本文按照辐射、传导和蒸发三类策略展开，并指出文献中的性能指标因测试条件不同而难以直接横向比较，仅作为各自平台的概念验证结果。

3.1 Radiative Property Engineering（辐射特性工程）

所有高于绝对零度的物体均发射电磁波。太阳辐射是人体最重要的外部热输入，而人体皮肤在红外（IR）波段具有约0.98的发射率，其热辐射峰值位于9.5 μm，恰好落在8–13 μm的大气透明窗口内，有利于向深空散热。根据基尔霍夫定律，可通过调控光谱发射率、反射率和透射率来实现冷却或保温。代表性冷却策略包括：红外透明可见光不透明织物（ITVOF），通过抑制瑞利散射实现中远红外近乎透明，并利用米氏散射保持可见光不透明；嵌入氧化锌（ZnO）纳米颗粒的纳米多孔聚乙烯（nanoPE）纺织品，实现约90%的太阳反射和约80%的中红外透射，在典型室外条件下可使模拟皮肤降温超10°C；静电纺丝制备的聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维膜（es-PEO）通过分子振动实现8–13 μm波段的选择性发射率（78%），同时保持高效的太阳反射，实现了白天约5°C的亚环境冷却。在辐射加热方面，银（Ag）纳米线网络涂覆的纳米多孔聚乙烯（nano-Ag/PE）纺织品，利用银层的低发射率（10.1%）显著提高了保暖性能；此外，多层功能织物通过在棉基底上依次构造超疏水二氧化硅纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、纳米孔醋酸纤维素层和银膜，实现了增强中红外反射的辐射加热，同时兼具防水、抗菌和透湿透气功能。

3.2 Photo-Thermal Conversion（光热转换）

光热转换通过材料吸收光能并转化为热能，其机制包括三大类：金属纳米结构中的局域表面等离子体共振（LSPR）、半导体中超过带隙的光子激发后的非辐射弛豫，以及碳基和有机材料中电子跃迁后的电子-声子耦合散热。在应用示例中，将金（Au）和锗（Ge）双层沉积在聚多巴胺（PDA）功能化的纳米多孔聚乙烯上，制成了兼具色彩和高效光热转换的超薄织物，在室外条件下使模拟皮肤温度比黑色运动衫高出6.3°C。受北极熊毛启发，研究者设计了银/纤维素/碳纳米管叠层非对称膜（ACCNL），结合碳纳米管的宽谱太阳吸收与银层的中红外选择性反射，实现了优于常规纺织品和单层材料的加热性能。MXene（Ti₃C₂T_x）修饰的纳米多孔聚乙烯则具备三种加热模式：被动辐射加热、光热转换和焦耳加热，其中12 μm厚的MXene层将中红外发射率降至约0.176，并可在太阳辐照下使皮肤温度达到73.5°C。此外，一种由纳米多孔聚四氟乙烯（nPTFE）、还原氧化石墨烯（rGO）和PDMS组成的夹层结构超织物，通过翻转实现了被动辐射冷却（太阳反射率>90%，中红外透射率>90%）与太阳能加热（在零下环境可升温17°C）的切换。

3.3 Thermoelectric Effect（热电效应）

热电效应包括塞贝克（Seebeck）、珀尔帖（Peltier）和汤姆逊（Thomson）效应，基于热电效应的器件可同时实现主动冷却和加热。一种便携式热电能量转换单元（TECU）采用树状橡胶管网络向内衣物供应调温空气，使用碲化铋材料，总重量295 g，在1.7 A电流下提供10.2 W冷却功率（性能系数COP=0.58），在3.0 A下提供40.1 W加热功率（COP=1.02）。在热电纤维方面，通过湿法纺丝制备的PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐）与碲（Te）纳米线复合纤维，塞贝克系数提升480%；热拉制工艺将p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃和n型Bi₂Se₃晶体无机微纳线集成到纤维中，保持与块体材料相当的热电性能，并用于构建输出功率密度为毫瓦每平方厘米级别的发电织物以及最大降温5°C的冷却织物。在器件层面，一种高柔性热电器件（TED）将高ZT无机热电柱夹在弹性体层之间，实现超过10°C的冷却效果（COP>1.5），佩戴测试表明其能在22°C至36°C的环境温度下将皮肤温度稳定维持在32°C；作为发电机时，其输出功率密度达4.5–25.1 μW·cm^?2，显著优于此前报道的同类器件。

3.4 Joule Heating, Conductive Spreading, and Thermal Insulation（焦耳加热、导电散热与热绝缘）

热传导通过声子实现，傅里叶定律描述了热流密度与热导率及温度梯度的关系。焦耳加热是将电能转化为热能的直接主动方式，而热绝缘则通过低热导率材料抑制热量散失。银纳米线（Ag NW）涂层纺织品在保持多孔透气性的同时，实现了高红外反射和高效的焦耳加热。另一种方案采用激光烧蚀在透明聚酰亚胺（PI）基底上图案化出kirigami结构，基于银纳米线导电网络实现了400%的拉伸应变和超过10000次的机械循环稳定性，且电性能无明显退化。在增强导热方面，将氮化硼纳米片（BNNS）定向分散于聚氨酯（PU）纤维中形成声子传输通道，显著降低了界面热阻，使面内热导率达到1.137 W·(m^?1·K^?1)，面外热导率达到0.182 W·(m^?1·K^?1)，远高于纯PU纤维。此外，传统多孔棉织物通过利用空气的低热导率实现保温，体现了被动绝缘策略的持续价值。