穿戴式個人降溫設(shè)備需求增加，沙漠螞蟻和駱駝啟發(fā)科學(xué)家尋找新技術(shù)

原標(biāo)題：穿戴式個人降溫設(shè)備需求增加，沙漠螞蟻和駱駝啟發(fā)科學(xué)家尋找新技術(shù)

全球變暖導(dǎo)致高溫頻發(fā)，人們需要保持涼爽和舒適，對極端高溫?fù)p害健康的認(rèn)識也在不斷增強，這使得近年來個人降溫設(shè)備越來越受歡迎。智能可穿戴技術(shù)已成為個人降溫設(shè)備市場增長的主要貢獻者。

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但是，此類設(shè)備的普及仍然存在挑戰(zhàn)性，不僅面臨佩戴舒適性問題，還需要有基礎(chǔ)性的科學(xué)突破。研究者基于撒哈拉銀蟻和駱駝的耐熱性，正在開發(fā)新的服裝或包裝材料，可以幫助人或食品主動降溫。

2020年的盛夏7月，索尼公司發(fā)布了一款創(chuàng)意性的小電器——可穿戴空調(diào)Reon Pocket。這款手掌大小的白色設(shè)備很輕薄，可以通過硅膠墊貼在皮膚上，利用珀耳帖效應(yīng)吸收和釋放熱量。

盡管日本有著難熬的夏天，但這款設(shè)備很大程度上仍被看作一個小眾產(chǎn)品。最近，Reon Pocket已經(jīng)更新到了第四代，性能提升、功能增加，即使散熱效果不太好，但第三代設(shè)備去年很快就售空了。隨著氣候變暖日漸加劇，消費者對個人降溫設(shè)備的興趣正在不斷增加，索尼預(yù)計此類技術(shù)的應(yīng)用將不斷增長。

但是，個人降溫設(shè)備的普及仍然存在挑戰(zhàn)性，不僅面臨佩戴舒適性和體驗問題，還需要有基礎(chǔ)性的科學(xué)突破。一些研究人員正在尋找創(chuàng)新的解決方案，比如從沙漠的螞蟻和駱駝身上尋找靈感。

目前的設(shè)備功能仍然有局限

Reon Pocket所利用的珀耳帖效應(yīng)，是指當(dāng)電流流過兩種不同導(dǎo)體的連接處時，會導(dǎo)致一根發(fā)熱，一根冷卻，從而有效地將熱量從佩戴者身上帶走。第一代設(shè)備重約80克，用戶可通過USB-C接口充電，用藍(lán)牙連接到手機操控。在此后的產(chǎn)品迭代中，索尼調(diào)整了Reon Pocket的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升冷卻性能。與此同時，該設(shè)備在舒適度上做了一些提升，比如改進防汗功能，和一些運動品牌合作，生產(chǎn)帶有可插入設(shè)備的口袋的衣服。索尼還設(shè)計了頸帶配件，以便Reon Pocket可以與普通衣服搭配使用。

經(jīng)過幾年的發(fā)展，越來越多公司介入像Reon Pocket這樣的可穿戴空調(diào)領(lǐng)域，其中很多產(chǎn)品做成頸圈的樣式，像時尚的藍(lán)牙耳機一樣被戴在脖子上。它們結(jié)合了觸感涼爽的金屬板和數(shù)十個微型風(fēng)扇，在頭部和頸部周圍產(chǎn)生涼爽的空氣。

所有這些產(chǎn)品都有一個重要的局限：只在頭頸部提供降溫。科技媒體Digital Trends的評測曾指出，雖然確實能讓脖子周圍的區(qū)域感到?jīng)鏊⒉荒苡行У靥峁├淇諝獯蛟谀樕系那逅杏X。從風(fēng)扇中出來的空氣只是強制空氣，沒有其他東西。

科技媒體The Verge的評測也指出，基本上，Reon Pocket的功能與人們所期望的任何低溫小物體貼在皮膚上的功能相同，人仍然會感覺自己處于炎熱、出汗的環(huán)境中。

如何讓個人降溫技術(shù)獲得根本上的突破？有幾個團隊目前正在攻關(guān)這類應(yīng)用。據(jù)《華爾街日報》近日報道，加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授徐升就領(lǐng)導(dǎo)了其中一個團隊，他正在研究下一代熱電設(shè)備，希望為在高溫下從事戶外勞動的農(nóng)場工人等提供幫助。“不能在田間攜帶空調(diào)設(shè)備。對于長時間、艱苦工作的人來說，它（空調(diào)）成本太高，而且太重。”

徐升將柔性熱電貼片放置到汗衫中，設(shè)計了可以將皮膚隔開的小氣隙，防止熱量回流到佩戴者身上。他說，他成功證明了這個方法能使人體局部溫度下降約10攝氏度，并設(shè)想用手機大小的電池組為系統(tǒng)供電長達八小時。“我們應(yīng)該在大約兩年內(nèi)就會有一個可以部署的產(chǎn)品。”他說，“現(xiàn)在，一切都是由我的學(xué)生手工制作。”

但熱電技術(shù)能否解決個人降溫問題仍然備受質(zhì)疑。哈佛大學(xué)化學(xué)教授賈拉德·梅森（Jarad Mason）表示：“它們的效率不是很高，因此為一個四處走動且不與電源相連的人提供電力是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。”梅森沒有把研究放在個人冷卻設(shè)備上，而是關(guān)注空調(diào)的研究，其重點是用壓卡（barocaloric）材料（擠壓時加熱或冷卻的固體）取代液體制冷劑。他說，這些固定冷卻裝置與如今使用的窗戶裝置和熱泵類似，但更小、更簡單、更環(huán)保。

從自然界尋找靈感

美國北卡羅來納州的材料科學(xué)家唐·切爾諾夫（Don Chernoff）研究自然界如何應(yīng)對高溫，他參考了蘇黎世大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的有關(guān)撒哈拉銀蟻的研究。銀蟻生活在沙漠中，是世界上跑得最快的螞蟻，它們從樹蔭下迅速沖出，在非洲炎熱的陽光下尋找食物。

多年來，研究者一直認(rèn)為銀蟻的銀色外表反射了足夠的陽光來維持安全的溫度，但美國和瑞士的一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這只是一部分原因。他們在強大的顯微鏡下檢查銀蟻，發(fā)現(xiàn)其體毛已經(jīng)進化成不尋常的三角形，就像微小的空心三角巧克力。這種結(jié)構(gòu)對于散射大多數(shù)輻射（包括陽光）非常有效，還能幫助將銀蟻的體溫散發(fā)出去。

早在2020年，中國寧波大學(xué)的研究人員就證明，銀蟻的冷卻系統(tǒng)也可以在人體范圍內(nèi)發(fā)揮作用。他們在題為《撒哈拉銀蟻仿生結(jié)構(gòu)在光伏組件冷卻中的應(yīng)用》的論文中，提出一種基于撒哈拉銀蟻仿生結(jié)構(gòu)的熱管理方法，該仿生結(jié)構(gòu)由氧化物-金屬-氧化物（OMO）和表面具有微納結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷薄膜共同組成，可通過熱輻射進行表面散熱，同時也能顯著地反射近紅外波段的太陽光，進一步降低表面溫度。據(jù)《華爾街日報》報道，這些中國研究人員在智能手表上覆蓋微小的硅纖維，其中含有三角形氣隙，仿照螞蟻的毛發(fā)，使手表的溫度降低了4.5攝氏度。

受撒哈拉銀蟻啟發(fā)，2021年，切爾諾夫在美國國土安全局發(fā)起的冷卻解決方案挑戰(zhàn)賽中獲獎。這項賽事鼓勵研究者開發(fā)讓人們坐在里面、攜帶或穿戴的輕量高效冷卻設(shè)備，國土安全局希望保護急救人員和戶外工作人員免受極端高溫傷害。

憑借美國國土安全部2.5萬美元的獎金，切爾諾夫在北卡羅來納州立大學(xué)招募了紡織工程師，開發(fā)一種像頭發(fā)一樣的服裝材料，可以為穿著它的人主動降溫。他承認(rèn)，任何降溫服裝都距離上市很遠(yuǎn)。 “到目前為止，這都是挑戰(zhàn)，沒有成功，但我希望今年能有面料進行測試。”他說。

除了螞蟻，沙漠中的駱駝也成為被重點關(guān)注的研究對象。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的材料科學(xué)家Zhengmao Lu領(lǐng)導(dǎo)的團隊在美國國土安全部挑戰(zhàn)賽中獲得了亞軍，他們的研究就是基于駱駝?wù)归_的。

“如果你給駱駝剃毛，它的耗水量就會增加一倍。”Lu說， “在炎熱的沙漠中，厚重的毛皮似乎是違反直覺的著裝要求，但這對于駱駝的生存是必要的。”和人類一樣，駱駝也有汗腺，可以通過蒸發(fā)來給自己降溫。在沙漠的陽光下，它們厚厚的毛皮使身體與炎熱的環(huán)境隔絕，同時讓汗液中的水蒸氣逸出。

Lu將駱駝的冷卻系統(tǒng)重新構(gòu)想為一種多層材料，可以做成衣服，或者制成包裝材料，在炎熱的氣候下保持食品和藥品的低溫。 “汗水”來自皮膚狀水凝膠——一種類似于膠原蛋白或明膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)，按重量計含水量高達99%。Lu放置了一種氣凝膠作為“毛皮”，這種堅韌且超輕的結(jié)構(gòu)位于表層，90%是空氣，使其具有高度絕緣性且極易滲透水蒸氣。

為了使復(fù)合材料更有效，Lu使用了一種水凝膠，擁有和銀蟻一樣的發(fā)射紅外線的能力。還有一種氣凝膠，可以讓放射線通過，同時仍然反射陽光。Lu表示，在測試中，該材料能夠使容器的溫度比環(huán)境溫度低至少9攝氏度，而無需使用任何電力。

雖然Lu認(rèn)為這項技術(shù)最初可以用于保持包裹低溫，但“我們正在開發(fā)的材料完全適用于個人降溫。”他說， “調(diào)整材料的層數(shù)可以提供可用于不同氣候的配方，這真的很酷。”

未來市場需求增長

在研究者進行科技探索的背后，市場需求也在緩慢而穩(wěn)步的增長。根據(jù)咨詢機構(gòu)“持久性市場研究（Persistence Market Research）”今年5月發(fā)布的報告，2022年全球個人降溫設(shè)備市場價值為57億美元，預(yù)計2023年將達到60億美元，2033年將達到90億美元。消費者對緊湊型和可穿戴降溫設(shè)備的需求不斷增長，推動了個人降溫設(shè)備市場。

報告稱，全球變暖導(dǎo)致氣溫上升，人們需要保持涼爽和舒適，對極端高溫?fù)p害健康的認(rèn)識也在不斷增強，這使得近年來個人降溫設(shè)備越來越受歡迎。市場上提供了各種各樣的個人降溫設(shè)備，包括可穿戴風(fēng)扇、帶有冷卻組件的背心、個人空調(diào)和手持式噴霧風(fēng)扇。

一些廠商開發(fā)可戴在脖子上的個人降溫設(shè)備，瞄準(zhǔn)喜歡輕型戶外活動的徒步旅行者、露營者和登山者。

其中，智能可穿戴技術(shù)已成為個人降溫設(shè)備市場增長的主要貢獻者。在最新技術(shù)的支持下，可穿戴個人降溫設(shè)備變得更加先進、緊湊且價格實惠。隨著智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成到可穿戴降溫設(shè)備中，其受歡迎程度將進一步提高，因為精通技術(shù)的用戶可以更容易使用它們。比如，很多設(shè)備與手機連接后，能方便用戶操控和調(diào)整。

報告還列出了不同國家的情況。比如，到2033年，英國對個人降溫設(shè)備的需求預(yù)計將使市場價值達到14億美元；日本個人降溫設(shè)備市場預(yù)計將增長14億美元。

在印度市場，由于夏季氣溫不斷上升，個人降溫需求大幅增加，有公司今年已經(jīng)確定了市場上的需求，即價格合適、真正的便攜式個人降溫設(shè)備。

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責(zé)任編輯：Rex_12