近年来，气候变化无常，难以应对的气温剧烈波动对个人健康提出了巨大挑战。因此，面对气候变化带来的健康风险不断升级，迫切需要推进个性化健康监测和热管理技术的研究。智能可穿戴技术以及人工智能 (AI) 和物联网 (IoT) 的进步可以支持一系列应用来改善个人健康和表现，例如个性化医疗保健、软机器人、电子皮肤和人机界面。现有的可穿戴技术缺乏在不同温度条件下进行个人热管理所需的功能。此外，许多可穿戴温度调节装置都存在一些缺点，例如体积大且笨重、透气性差以及难以规模化制造。

被动辐射冷却和加热最近作为一种不需要任何能源成本的个人热管理的新策略而出现。这种方法通过调整材料的纳米和微米结构来选择性地控制辐射换热，以达到冷却或加热的效果。最近，调制可见光透过率和/或红外发射率已被证明能够使用相变材料、电化学调谐和表面润湿方法来实现自适应温度调节，但现有自适应辐射冷却/加热材料并不是以纤维的形式制成的，这使得它们不适合穿戴应用。

近日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Cai Lili团队开发了一种热自适应智能纺织品(TAST)，它将被动辐射冷却结构整合到智能可穿戴设备中，具有光纤级别的无缝集成传感功能，以实现智能、高效和自适应的温度调节。

TAST的设计和工作原理如图1 a-c所示。TAST是由两组纤维线（即经线和纬线）相互垂直交织而成的机织织物（图1 a）。每根纤维均由多孔聚合物复合材料护套和导电金属芯组成（图1 c）。护套中的气孔设计得与太阳光的波长相当，由于米氏散射效应，导致强烈的太阳光反射。聚合物护套中嵌入SiO2颗粒填料，可选择性发射8-13 μm波长范围内的热辐射。由于聚合物护套层具有较高的太阳光反射率和红外发射率/透射率，TAST无需任何能量输入即可实现被动辐射冷却。此外，当施加电压时，纤维的导电金属芯可以提供焦耳热。执行冷却和加热功能的能力对于实现自适应热控制至关重要。在经纬线交叉处，顶部和底部金属纤维芯之间形成电容器单元。芯线由作为电介质的聚合物复合护套层分隔开（图1 b）。因此，TAST由电容传感器网络组成，可用于检测引起电容变化的刺激的存在和位置。

本文使用同轴挤出方法实验性地制造了TAST，以创建在微米级纤维水平上集成的分层结构、多组分材料。图1 d显示了制造过程的示意图。对TAST模型材料的研究中，本研究采用不锈钢丝（直径 100-200 μm）作为纤芯，采用聚乙烯（PE）作为护套涂层的聚合物基体。

图2 a显示了石油开采前同轴挤压纤维的俯视光学显微镜照片，说明了其核心-护套结构，该结构包括一根直径为100μm的内金属线和一层厚度约为200μm的外部复合壳。用扫描电子显微镜(SEM)进一步观察了采油后纤维沿径向的横截面，如图2 b所示。图2 c显示了护套层的放大视图，确认形成了具有小于2μm的随机分布的孔大小的多孔结构。此外，SiO2颗粒(直径<10 μm)在多孔PE基体中分散良好。图2 d显示，油/聚乙烯和SiO2/聚乙烯混合比例分别为7:1 (v/w)和1:5 (w/w)的TAST获得了90.2%的高太阳反射率(在300 ~ 2000 nm的太阳光谱上归一化)。此外，该配方在8-13μm范围内的平均发射率+透过率为86%，在人体热辐射达到峰值的9.5μm波长附近接近91%(图2 e)。

本研究对TAST的机械强度、耐洗性和透气性进行了评估。图2 f通过拉伸测试比较了TAST和传统织物的机械性能。由于不锈钢丝的高强度，与棉、涤纶和尼龙等织物相比，TAST表现出高的杨氏模量。洗涤前后TAST的太阳反射率和红外发射率的差异可以忽略不计，表明TAST具有良好的耐洗性。图2 g透气性评估表明，TAST在34℃时的水蒸气渗透率为13 mg/cm2·h，与机织棉织物的透气率(17 mg/cm2·h)相当。

在不同条件下对TAST的体温调节功能进行了测试。图3 a所示为室外冷却测试结果，与棉花覆盖和裸露皮肤情况下测得的皮肤温度相比，TAST温度分别下降了6-10°C和6-14°C。值得注意的是，这里使用的商用棉织物(0.5 mm)比TAST (1 mm)更薄，可以提供更好的热对流和导热。然而，TAST显示出优越的冷却性能，强调了辐射冷却在室外条件下的功效。

本文通过对单根纤维线施加电偏压来评估TAST的加热能力。图3 b描述了向TAST施加不同电压时的温升率。数据表明，即使在3-5 V的小偏置下，也可以在不到5分钟的时间内实现10°C以上的加热效果。此外，TAST可以通过控制单个纤维的偏置来实现局部加热。图3 c显示了TAST在不同加热模式下的红外热成像，即均匀加热和局部加热。施加的总电压固定在2.5V，当该电压施加到所有光纤丝线上时，它导致了均匀的加热模式。相反，选择性地只偏置穿过所需区域的纤维允许局部加热。

当环境较热时，TAST利用辐射冷却功能限制皮肤温度的上升，当皮肤温度低于34℃时触发焦耳加热(图3 d)。图3 e展示了TAST在不同环境条件下的实时自适应体温调节性能。当暴露在典型的户外条件下强烈的阳光直射下(100mW/cm2)，棉花导致皮肤温度显著上升，达到45°C。另一方面，TAST提供了一种辐射冷却效果，导致皮肤温度比普通棉花低7°C，防止模拟皮肤过热超出热舒适区。对于室内和室外情况，当环境温度急剧下降到~ 10°C时(通过在附近放置冰袋进行模拟，图3 e中用蓝色阴影表示)，棉花覆盖的皮肤模拟器温度立即降低了约10°C。相比之下，通过激活焦耳加热功能，TAST覆盖的皮肤模拟器温度下降最小，保持正常皮肤温度34℃。这些比较表明，作为对环境变化的响应，TAST在自适应体温调节方面是有效的，这是传统纺织品所缺乏的理想能力。

最后，本文评估了TAST对汗液和压力的传感性能，并进一步利用传感数据作为反馈信号进行精确和自主的体温调节。传感试验中使用的TAST样品的每根经纱和纬线都含有五根纤维。当施加外部刺激(如汗水和压力)时，测量由一根纬线和一根经线组成的单个传感器单元的电容变化。如图4 a所示，TAST实时响应施加的压力，其电容随压力的增加而增加。压敏图分为两个线性区域(图4 b)。图4 c显示了电容对汗水的响应变化。当模拟汗液皮肤的潮湿表面与TAST接触时，电容立即从2 pF增加到3 pF。由于空气介电常数随湿度的变化相对较小。同时，通过施加吸湿效果，TAST的感汗性能可能会进一步增强，这不仅可以通过更快的排汗来提供额外的冷却效果，还可以导致多孔层内汗水渗入引起的更大的电容变化。

智能可穿戴技术的高效和自适应温度调节可以彻底改变气候变化带来的健康和能源相关挑战的缓解。本文开发了一种机织热自适应智能纺织品（TAST），具有高太阳反射率和选择性红外发射率和透射率，使用可扩展的同轴挤出方法连续制造芯鞘纤维。与普通织物相比，TAST 可实现被动室外辐射冷却 6-10 °C，同时保持良好的机械强度、透气性和可洗性。由于将电容传感、辐射冷却和焦耳加热集成到编织纤维中，TAST 可以检测人体的生理信号，并根据环境温度和排汗水平的变化调整其体温调节功能。

论文信息：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01624

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