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自從入冬之後，Norma和身邊的朋友們紛紛出現了早晨起床困難症、食慾過盛症、宅家不動症和無限疊加穿衣症等問題…
別的不說，冬天穿這麼厚，早上一層一層的套上，真·人型千層蛋糕，不僅臃腫到行動困難，就連走路騎車膝蓋彎曲的角度都比夏天至少少了5°。
就不能有那種又暖和又輕薄的衣服嗎？或者冬暖夏涼的衣服？Norma大概在小學想象類作文中就暢想過這種神奇的衣服了…
別說，還真有這種好事，正面保溫，反面涼爽的材料真的存在。原來淨想好事還真的能實現！
人體的熱量——我散我到處散
在瞭解我們的夢幻保溫衣物之前，先讓我們來了解一下人體是如何保持恆溫的？我們的熱量都去哪兒了？要是熱量不離開，我豈不是能天天穿短袖了？
眾所周知，人類作為恆溫動物透過體內完善的體溫調節機制，包括自主性體溫調節和行為性體溫調節，可以使機體的體溫通常保持在高於環境溫度的相對穩定水平。
而實現恆溫，主要是由於人體產生和散失熱量受到體溫調節中樞的調控，保持動態平衡。當體溫偏離恆定值範圍時，反饋系統會將體溫偏離的資訊傳輸到調節中樞，對產熱或者散熱加以調控，使體溫重新回到平均水平。
反饋控制系統是一種閉環系統，作為控制中心的神經中樞、內分泌細胞等對效應細胞、靶細胞等受控部分發出控制指令，是指完成相應的生理過程。受控部分會受到外界環境的干擾，透過一些感受結構將干擾造成的影響反饋給控制中心。
在這個過程中，反饋資訊會與生理學中的調定點(set point)進行比較，產生偏差資訊，控制中心直接對偏差資訊做出處理，實現調節作用。
人體生理調節反饋示意圖[3]
瞭解反饋及之後，讓我們來聊聊產熱過程，我們體內的熱量來源於組織細胞的代謝、機體的各種功能活動，因而代謝水平高的組織器官，產生的熱量也更多。
在我們處於不同狀態時，不同器官的產熱佔比也不同。當處於安靜狀態時，人體內臟器官會默默的產熱，約佔機體總產熱量的 50%，其中肝臟的代謝最為旺盛，怪不得是肝不動了？
當我們運動時，骨骼肌的代謝增強，產熱量顯著增加，成為產熱器官冠軍。輕度運動，如步行時，骨骼肌的產熱量約佔總熱量的 73%，而劇烈運動更是可以達到總產熱量的 90% [2]。
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說起產熱，那當然少不了乾飯人勤勤懇懇努力進食的功勞——食物的特殊動力效應，即進食後能量代謝率增高。
除此之外，還有一個比較特殊的情況，當我們周圍的環境比較寒冷時，機體散熱量顯著增加，主要依靠寒戰產熱和加強非寒戰產熱來增加產熱量。
其中，寒戰產熱也就是我們最熟悉的——冷 到 發 抖！是指機體受到寒冷刺激時，可使位於下丘腦後部的寒冷中樞興奮，經效應器引起骨骼肌肌緊張增強，稱為寒戰前肌緊張，此時產熱量略增加。
當寒冷持續加劇時，我們就會開始寒戰——骨骼肌伸肌和屈肌同時格局混亂。在這種情況下，肌肉收縮所消耗熱量全部變為熱能。
而非寒戰產熱則是機體透過提高代謝率而增加產熱，體內產熱作用最強的是褐色脂肪組織。
褐色脂肪細胞 | 圖片來源
聊過了產熱，那麼人體散熱又有哪些方式呢？
人體散熱主要透過面板、呼吸以及隨大小便排出帶走熱量。在室溫時，面板散熱量可以達到97%，機體內部的熱量透過血液迴圈和熱傳導運輸到面板表層被面板散逸。
被傳遞到面板表面的熱能，有四種散失通道——輻射、傳導、對流和蒸發[2]。
對於輻射散熱，環境溫度與面板溫度差值越大，人和環境的輻射換熱就越大。當環境溫度超過面板溫度時，機體反而會吸收周圍物體的輻射熱。
人體熱輻射示意圖 | 圖片來源：網路
傳導散熱是指機體深部的熱量以傳導方式轉移到體表，再由面板直接傳給與它接觸的低溫物體散熱。傳導散熱量取決於溫度差、接觸面積和接觸物的導熱率等，溫差越大，接觸面積越大，導熱係數越高，其散熱越大。
當人體面板溫度高於環境溫度時，熱量會傳給與面板表面接觸的空氣使其溫度升高，空氣被加熱後流動加快，同時將體熱帶走，而周圍溫度較低的空氣又會流到面板表面，如此迴圈往復，形成空氣對流散熱。對流散熱量取決於面板和周圍環境的溫度差和有效散熱面積、風速等影響。
最後，蒸發散熱是當環境溫度高於面板溫度時，機體唯一有效的散熱渠道。蒸發散熱分為不感蒸發和有感蒸發，影響人體蒸發散熱的主要因素包括新陳代謝、人體面板溫度、環境溫度、溼度、風速、服裝材質、大氣壓等。
四種散熱機理示意圖 | 圖片來源
這樣看來，在冬天這樣寒冷的環境下熱量是留不住了——註定“轉身離開，分手說不出來”。
普通保溫服飾——熱量你慢點走！
在現在這樣寒冷的冬季，我們保暖的基本思路當然是——套上他十條秋褲再說！我們在冬天裹上厚厚冬裝是這樣保暖的呢？
簡單來說，普通服裝的保溫效果一般是透過減少人體散熱量來實現的。服裝是環境―服裝―人體這個綜合熱力系統中人體和環境之間熱量交換的緩衝體。
“環境―服裝―人體”的熱傳遞過程 | 圖片來源[7]
普通服裝對散熱的影響主要體現為：服裝材料與空氣層的導熱能力主要影響傳導散熱，防風效能及服裝封閉程度主要影響對流散熱，輻射率及表面溫度主要影響輻射散熱，透溼指數及潤溼面積主要影響蒸發散熱[6]。
在這個複雜的熱傳導系統中，多層衣物和面板兩兩之間都具有一定厚度的空氣層。首先，內衣受到面板的傳導散熱溫度升高，會與內衣與毛衣或其他衣物之間的空氣層發生熱傳導。
在熱傳導過程中，速度與傳熱係數有關，傳熱係數越大傳熱越快。面板與空氣之間傳熱係數比衣物與空氣之間傳熱係數高，因而內衣與空氣層之間傳熱速度較慢。
空氣層溫度升高後，會繼續向毛衣或者其他衣物傳導熱量，之後毛衣或外衣再傳熱給空氣層。每次熱傳導都的效率都小於1，這樣層層相乘，面板與外界空氣之間的溫度差就會比不穿衣服大很多[8]。
簡而言之，普通衣物保溫是透過阻礙散熱過程實現的，那如果服裝可以反射熱量或者直接自己發熱，那不就不用穿很多層了嗎？
自發熱服飾——靠自己努力的打工人！
自發熱服裝不同於傳統保暖服裝，採用自發熱材料與服裝結合，使得服裝的保暖作用由被動化為主動。
自加熱服裝的加熱思路與其他領域相似，包括太陽能加熱、化學能加熱、吸溼發熱、光能發熱、相變材料及電加熱等不同形式的加熱方式。
發熱纖維的發熱機理 | 圖片來源[11]
其中，我們日常生活中最常見的就是電加熱這種方式了，利用電流熱效應發熱，導電材料通電後，將電能轉化為熱能。對於電加熱服飾來說，最核心的部分就是柔性電加熱元件——電加熱絲、電加熱膜、電加熱織物。
綜合來看，電加熱織物具有輕薄透氣、柔軟舒適、安全穩定等優點，是研究和應用最為廣泛的一種。導電材料可以簡單分為金屬導電材料、非金屬導電材料和複合導電材料，例如：不鏽鋼、銀、銅、碳材料、導電高聚物等。其中，碳奈米管加熱片、石墨烯加熱片的綜合性能有很大的優勢。
但電加熱服飾的發展仍存在一些有待最佳化和解決的問題，首先是物美價廉——塗層均勻、工藝簡單的製備方法尚有待開發；其次是柔性電加熱織物的保護與透氣、透溼之間的矛盾尚有待解決。另外，電加熱服飾的舒適程度也相對比較低。
光能發熱纖維顧名思義，可以吸收太陽輻射中不同波長光線的能量並轉化為熱能，或反射人體熱輻射。奈米陶瓷錦綸短纖維編織物是一種新型的光能發熱纖維，在光源照射30min 後，比普通織物溫度高3. 41℃[12]。
光發熱和電發熱都離我們的生活比較近，除此之外，材料相變會吸收或者釋放熱量，也是製作自發熱服飾的一種比較有趣的方向。石蠟/PVA儲能纖維和其他新型複合相變材料都屬於相變調溫纖維，具有雙向調溫的優勢，但調溫範圍相對比較小。
冷熱雙模紡織品——紡織品界內卷王
既然已經有了這麼多種保溫服飾的研發方向，那何不格局再開啟一點，讓服飾即保暖又涼爽呢？如果不需要能量輸入的話，豈不是更加美滋滋？
雖然這需求聽起來有點“無理甲方”，但你還別說，真有人做出來了…
比起傳統加熱或冷卻，輻射熱管理(Radiative thermal management)可謂是自己努力、內卷他者的代表了。這種方法是指透過控制發射率、透射率和反射率，實現不同的傳熱控制。
也就是說，溫度變化方向你隨便提，變化不到位就算我輸。那麼，接下來就讓我們看看這種“雙面神衣”的工作原理是什麼樣的吧！
對於織物的輻射熱管理，大致可以分為兩種設計思路——第一，透過設計透明(反射)織物，可以高度促進(抑制)輻射直接透過織物向周圍環境的傳輸；第二，透過設計一種高(低)外表面發射率紡織品，大幅度地增加(減少)織物對環境的輻射發射。
雙模紡織品原理圖 | 圖片來源[13]
第一種是透過將雙層熱發射器嵌入中紅外-透明奈米多孔聚乙烯(nanoporous polyethylene, nanoPE)中。這種雙模紡織品可以透過在內側和外側之間切換，輕鬆地在加熱和冷卻模式之間切換，並且不需要電能或其他外部能量的輸入。
在這種結構中，雙層熱發射器在織物正反兩面的厚度不同。由於nanoPE是紅外透明的，這一側的發射器與周圍環境的熱輻射不受到任何阻礙。同時，nanoPE還起到調節熱發射器與面板距離的作用。
在冷卻模式下，高發射率層面向環境，熱發射器和面板之間的nanoPE厚度較小。這種小厚度保證了溫暖的人體面板和發射器之間的高效熱傳導，達到了提高發射器的溫度的目的。這也最大化了nanoPE本身保持涼爽的作用，妥妥的為夏天量身定製！
當織物反過來時，低發射率的一面朝外，發射器到面板的距離增加，可以實現保溫。
這種雙模織物的神奇作用是輻射、傳導和對流協同作用的結果。
另外一種雙模織物同樣是透過——不對稱紗線組成和被動輻射的方式達到了相同的目的。
不同之處在於，第二種結構透過在紗線中同時利用金屬纖維和介質纖維實現了非常強的發射率對比，溫度範圍進一步拓展到了13.1℃。
當織物的高發射率層(介質紗線)面向周圍環境，使其表面充當紅外散熱器，可以實現冷卻；翻轉織物，將低發射率的一面(金屬紗線)暴露在環境中，起到輻射絕緣的作用，可以實現保溫。
這種被動式織物採取交錯不對稱結構，介質纖維和金屬纖維在特定的光子幾何結構中交錯,透過強調製輻射率來控制輻射從人體到環境的傳輸。
由此可見，學好數理化，真的能走遍天下都不怕。這不，冬冷夏熱的問題被一件衣服解決的日子也越來越近了。到時候又會有什麼“五彩斑斕的黑”式需求呢？
參考文獻：
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[8]https://www.zhihu.com/question/20580208/answer/15542305
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