沙漠蚂蚁和骆驼启发穿戴式个人降温设备技术再突破

全球变暖导致高温频发，人们需要保持凉爽和舒适，对极端高温损害健康的认识也在不断增强，这使得近年来个人降温设备越来越受欢迎。智能可穿戴技术已成为个人降温设备市场增长的主要贡献者。

但是，此类设备的普及仍然存在挑战性，不仅面临佩戴舒适性问题，还需要有基础性的科学突破。研究者基于撒哈拉银蚁和骆驼的耐热性，正在开发新的服装或包装材料，可以帮助人或食品主动降温。

2020年的盛夏7月，索尼公司发布了一款创意性的小电器——可穿戴空调Reon Pocket。这款手掌大小的白色设备很轻薄，可以通过硅胶垫贴在皮肤上，利用珀耳帖效应吸收和释放热量。

尽管日本有着难熬的夏天，但这款设备很大程度上仍被看作一个小众产品。最近，Reon Pocket已经更新到了第四代，性能提升、功能增加，即使散热效果不太好，但第三代设备去年很快就售空了。随着气候变暖日渐加剧，消费者对个人降温设备的兴趣正在不断增加，索尼预计此类技术的应用将不断增长。

Reon Pocket 4佩戴示意图。图片来源：索尼

但是，个人降温设备的普及仍然存在挑战性，不仅面临佩戴舒适性和体验问题，还需要有基础性的科学突破。一些研究人员正在寻找创新的解决方案，比如从沙漠的蚂蚁和骆驼身上寻找灵感。

目前的设备功能仍然有局限

Reon Pocket所利用的珀耳帖效应，是指当电流流过两种不同导体的连接处时，会导致一根发热，一根冷却，从而有效地将热量从佩戴者身上带走。第一代设备重约80克，用户可通过USB-C接口充电，用蓝牙连接到手机操控。在此后的产品迭代中，索尼调整了Reon Pocket的内部结构，提升冷却性能。与此同时，该设备在舒适度上做了一些提升，比如改进防汗功能，和一些运动品牌合作，生产带有可插入设备的口袋的衣服。索尼还设计了颈带配件，以便Reon Pocket可以与普通衣服搭配使用。

经过几年的发展，越来越多公司介入像Reon Pocket这样的可穿戴空调领域，其中很多产品做成颈圈的样式，像时尚的蓝牙耳机一样被戴在脖子上。它们结合了触感凉爽的金属板和数十个微型风扇，在头部和颈部周围产生凉爽的空气。

所有这些产品都有一个重要的局限：只在头颈部提供降温。科技媒体Digital Trends的评测曾指出，虽然确实能让脖子周围的区域感到凉爽，但并不能有效地提供冷空气打在脸上的清爽感觉。从风扇中出来的空气只是强制空气，没有其他东西。

科技媒体The Verge的评测也指出，基本上，Reon Pocket的功能与人们所期望的任何低温小物体贴在皮肤上的功能相同，人仍然会感觉自己处于炎热、出汗的环境中。

如何让个人降温技术获得根本上的突破？有几个团队目前正在攻关这类应用。据《华尔街日报》近日报道，加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授徐升就领导了其中一个团队，他正在研究下一代热电设备，希望为在高温下从事户外劳动的农场工人等提供帮助。“不能在田间携带空调设备。对于长时间、艰苦工作的人来说，它（空调）成本太高，而且太重。”

徐升将柔性热电贴片放置到汗衫中，设计了可以将皮肤隔开的小气隙，防止热量回流到佩戴者身上。他说，他成功证明了这个方法能使人体局部温度下降约10摄氏度，并设想用手机大小的电池组为系统供电长达八小时。“我们应该在大约两年内就会有一个可以部署的产品。”他说，“现在，一切都是由我的学生手工制作。”

加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授徐升

但热电技术能否解决个人降温问题仍然备受质疑。哈佛大学化学教授贾拉德·梅森（Jarad Mason）表示：“它们的效率不是很高，因此为一个四处走动且不与电源相连的人提供电力是相当具有挑战性的。”梅森没有把研究放在个人冷却设备上，而是关注空调的研究，其重点是用压卡（barocaloric）材料（挤压时加热或冷却的固体）取代液体制冷剂。他说，这些固定冷却装置与如今使用的窗户装置和热泵类似，但更小、更简单、更环保。

从自然界寻找灵感

美国北卡罗来纳州的材料科学家唐·切尔诺夫（Don Chernoff）研究自然界如何应对高温，他参考了苏黎世大学领导的有关撒哈拉银蚁的研究。银蚁生活在沙漠中，是世界上跑得最快的蚂蚁，它们从树荫下迅速冲出，在非洲炎热的阳光下寻找食物。

撒哈拉银蚁具有能够承受高温的特性，这启发了一些研究人员开发冷却技术

多年来，研究者一直认为银蚁的银色外表反射了足够的阳光来维持安全的温度，但美国和瑞士的一组科学家发现，这只是一部分原因。他们在强大的显微镜下检查银蚁，发现其体毛已经进化成不寻常的三角形，就像微小的空心三角巧克力。这种结构对于散射大多数辐射（包括阳光）非常有效，还能帮助将银蚁的体温散发出去。

早在2020年，中国宁波大学的研究人员就证明，银蚁的冷却系统也可以在人体范围内发挥作用。他们在题为《撒哈拉银蚁仿生结构在光伏组件冷却中的应用》的论文中，提出一种基于撒哈拉银蚁仿生结构的热管理方法，该仿生结构由氧化物-金属-氧化物（OMO）和表面具有微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜共同组成，可通过热辐射进行表面散热，同时也能显著地反射近红外波段的太阳光，进一步降低表面温度。据《华尔街日报》报道，这些中国研究人员在智能手表上覆盖微小的硅纤维，其中含有三角形气隙，仿照蚂蚁的毛发，使手表的温度降低了4.5摄氏度。

受撒哈拉银蚁启发，2021年，切尔诺夫在美国国土安全局发起的冷却解决方案挑战赛中获奖。这项赛事鼓励研究者开发让人们坐在里面、携带或穿戴的轻量高效冷却设备，国土安全局希望保护急救人员和户外工作人员免受极端高温伤害。

凭借美国国土安全部2.5万美元的奖金，切尔诺夫在北卡罗来纳州立大学招募了纺织工程师，开发一种像头发一样的服装材料，可以为穿着它的人主动降温。他承认，任何降温服装都距离上市很远。 “到目前为止，这都是挑战，没有成功，但我希望今年能有面料进行测试。”他说。

除了蚂蚁，沙漠中的骆驼也成为被重点关注的研究对象。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的材料科学家Zhengmao Lu领导的团队在美国国土安全部挑战赛中获得了亚军，他们的研究就是基于骆驼展开的。

“如果你给骆驼剃毛，它的耗水量就会增加一倍。”Lu说， “在炎热的沙漠中，厚重的毛皮似乎是违反直觉的着装要求，但这对于骆驼的生存是必要的。”和人类一样，骆驼也有汗腺，可以通过蒸发来给自己降温。在沙漠的阳光下，它们厚厚的毛皮使身体与炎热的环境隔绝，同时让汗液中的水蒸气逸出。

Lu将骆驼的冷却系统重新构想为一种多层材料，可以做成衣服，或者制成包装材料，在炎热的气候下保持食品和药品的低温。 “汗水”来自皮肤状水凝胶——一种类似于胶原蛋白或明胶的聚合物网络，按重量计含水量高达99%。Lu放置了一种气凝胶作为“毛皮”，这种坚韧且超轻的结构位于表层，90%是空气，使其具有高度绝缘性且极易渗透水蒸气。

为了使复合材料更有效，Lu使用了一种水凝胶，拥有和银蚁一样的发射红外线的能力。还有一种气凝胶，可以让放射线通过，同时仍然反射阳光。Lu表示，在测试中，该材料能够使容器的温度比环境温度低至少9摄氏度，而无需使用任何电力。

虽然Lu认为这项技术最初可以用于保持包裹低温，但“我们正在开发的材料完全适用于个人降温。”他说， “调整材料的层数可以提供可用于不同气候的配方，这真的很酷。”

未来市场需求增长

在研究者进行科技探索的背后，市场需求也在缓慢而稳步的增长。根据咨询机构“持久性市场研究（Persistence Market Research）”今年5月发布的报告，2022年全球个人降温设备市场价值为57亿美元，预计2023年将达到60亿美元，2033年将达到90亿美元。消费者对紧凑型和可穿戴降温设备的需求不断增长，推动了个人降温设备市场。

报告称，全球变暖导致气温上升，人们需要保持凉爽和舒适，对极端高温损害健康的认识也在不断增强，这使得近年来个人降温设备越来越受欢迎。市场上提供了各种各样的个人降温设备，包括可穿戴风扇、带有冷却组件的背心、个人空调和手持式喷雾风扇。

一些厂商开发可戴在脖子上的个人降温设备，瞄准喜欢轻型户外活动的徒步旅行者、露营者和登山者

其中，智能可穿戴技术已成为个人降温设备市场增长的主要贡献者。在最新技术的支持下，可穿戴个人降温设备变得更加先进、紧凑且价格实惠。随着智能传感器和物联网设备集成到可穿戴降温设备中，其受欢迎程度将进一步提高，因为精通技术的用户可以更容易使用它们。比如，很多设备与手机连接后，能方便用户操控和调整。

报告还列出了不同国家的情况。比如，到2033年，英国对个人降温设备的需求预计将使市场价值达到14亿美元；日本个人降温设备市场预计将增长14亿美元。

在印度市场，由于夏季气温不断上升，个人降温需求大幅增加，有公司今年已经确定了市场上的需求，即价格合适、真正的便携式个人降温设备。

（原标题：穿戴式个人降温设备需求加大，沙漠蚂蚁和骆驼启发基础技术再突破）