【儀表網 研發(fā)快訊】11月21日，體育學院聯合聘任教授陶光明團隊的研究成果“一種用于寒冷環(huán)境溫濕度調節(jié)的異質結構面部防護罩(A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments)”于《自然·通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。受到北極海豹鼻甲骨生物特性的啟發(fā)，團隊首次提出并構建異構形態(tài)結構面罩(MetaMask)，在寒冷環(huán)境防護裝備研發(fā)領域取得重要進展。
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”模式驅動的北半球前所未有的寒流可能會成為對全球公共衛(wèi)生的重大且被低估的威脅。在寒冷環(huán)境下，佩戴面罩是預防呼吸道疾病的關鍵手段之一，但其應用面臨的核心挑戰(zhàn)是如何在保障充足氧氣攝入的同時，維持面部微環(huán)境的熱濕舒適性。
圖為MetaMask異構結構設計策略。
團隊通過“非對稱輻射調控”與“冷凝-蒸發(fā)協同”雙策略，從結構設計層面打破“熱濕調控與透氣”固有矛盾。該面罩集成三大功能模塊形成閉環(huán)熱濕調控機制：一是通過非對稱光熱結構增強“捕獲”人體紅外輻射熱量；二是依托間隔織物層內豐富的纖維-空氣接觸面強化熱傳遞效率；三是借助交錯分布的周期性孔隙結構，在保障呼吸通暢的同時延長氣流滯留時間，為熱交換創(chuàng)造充足條件。具體而言，呼氣階段，溫暖潮濕氣流流經織物層時，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加熱纖維表面接觸，纖維同步釋放儲存熱量與水分，完成對空氣的加熱與加濕。
為系統驗證MetaMask在寒冷環(huán)境下的實際應用性能，團隊在-20℃條件下開展人體實驗，從熱濕調控、肺功能保護及攝氧保障三個核心維度量化評估其綜合效能。在熱調控性能方面，MetaMask在單呼吸周期內可實現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致其長期使用表面幾乎無結霜，解決了傳統面罩低溫環(huán)境易結霜的問題。在肺功能保護方面，MetaMask可有效緩解運動性支氣管收縮：佩戴MetaMask運動后的受試者1秒用力呼氣量無明顯下降。在攝氧情況方面，MetaMask能確保不同運動強度下的正常氧氣攝入：在不同強度運動狀態(tài)時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，在高強度運動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。MetaMask還實現防護性能、耐用性與使用舒適性等的協同優(yōu)化。
圖為低溫環(huán)境人體運動實驗。
團隊提出的MetaMask突破寒冷環(huán)境下面罩“熱濕調控與透氣”的固有矛盾，為該場景面罩設計、應用及性能優(yōu)化提供創(chuàng)新性技術思路。應用價值上，該技術已為相關國家戰(zhàn)略任務提供技術支持，驗證了極端低溫下的性能可靠性。產業(yè)化層面，其無需特殊定制設備或高成本加工工藝，大幅降低技術轉化門檻，為規(guī)模化生產奠定基礎。未來，該設計理念可延伸至極地科考等極端場景，對提升公共衛(wèi)生防護水平、推動防護裝備產業(yè)技術升級具有重要戰(zhàn)略意義。
我校博士生吳嘉威、碩士生張子韓和首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院周寧教授為論文共同第一作者，陶光明為論文通訊作者，華科大體育學院為作者第一署名單位，學院曾洪濤教授、孫競波教授、周霄副教授分別從運動訓練、運動表現和健康促進的三個維度開展相關實驗，實驗結果對MetaMask在運動健康領域的廣泛應用提供了科學依據。據悉，這是我校體育學院首次在國際頂尖期刊《自然》系列子刊上發(fā)表體工交叉服務運動健康論文，實現中部地區(qū)體育學科頂刊“零的突破”。
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