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为解决可穿戴电子设备因散热需求与人体皮肤热舒适性/安全性（低于43°C）之间难以调和的矛盾，研究人员开展了一项关于“可穿戴被动辐射制冷纺织品（WRCT）”的研究。他们利用一步湿法纺丝技术，将单一聚合物转化为具有多层次多孔结构的微纤维，实现了>95%的太阳光反射率和0.96的中红外发射率，有效隔热降温。这项研究为高性能、全天候可穿戴电子系统提供了一个可扩展、安全且可制造的平台。
在追求更便捷、智能生活方式的浪潮中，可穿戴电子设备正逐渐从新奇概念融入日常应用，从持续健康监测到人机交互，其潜力巨大。然而，一个长期存在的根本性矛盾阻碍了其真正实现全天候、舒适穿戴的愿景：人体皮肤需要透气、排汗，并将温度舒适地维持在33°C到37°C之间；而内嵌的电子元件，尤其是功能日益强大的微处理器、传感器等，在运行时会产生显著的焦耳热，温度常超过60°C。这不仅可能导致设备自身过热、信号漂移，更严峻的是，如果热量无法与皮肤有效隔离，长时间接触下皮肤温度若超过43°C，即存在低温烫伤的风险。此外，户外使用时，阳光照射产生的光热噪声也会干扰光电传感器的信号。因此，开发一种既能高效管理设备散热、屏蔽阳光干扰，又能保持纺织品固有透气性、柔软性和穿戴舒适性的材料平台，成为了推动下一代可穿戴技术发展的关键挑战。
针对这一挑战，一项发表在《Advanced Science》上的研究报道了一种创新的解决方案：一种专为柔性电子集成设计的可穿戴定制化被动辐射制冷纺织品。研究人员没有采用传统策略中常见的添加无机纳米颗粒或构建复杂多层结构的方法，而是巧妙地利用成熟的工业级湿法纺丝技术，对单一商品聚合物——聚偏氟乙烯（PVDF）进行处理。通过精确控制纺丝过程中的相转化动力学，他们一步成型地制备出了具有独特层次化多孔结构和菜花状表面结节的微纤维。这种结构设计带来了三重核心优势：首先，多尺度孔隙和表面结节通过米氏共振散射，实现了超过95%的宽带太阳光反射率，有效屏蔽了阳光对设备的加热和光学干扰；其次，PVDF材料本身以及其多孔结构赋予了纺织品高达0.96的中红外发射率，能够通过大气窗口（8-13 μm）高效地将热量辐射到寒冷的外太空，实现被动降温；最后，内部丰富的孔隙结构使得材料具备极低的导热系数（约0.041 W/mK，接近空气），如同为皮肤穿上了一件“隔热服”，有效阻隔了电子设备产生的热量向皮肤传递，同时保持了与常规纺织品相当的透气性和柔韧性。
为了验证其实际性能，研究团队构建了模拟户外穿戴环境的测试平台。他们将一个模拟高功耗微控制器的柔性电路（产生约17 kW/m2的局部热流密度）夹在两层WRCT纺织品之间，并在其上施加模拟太阳光照射（500 W/m2）。实验结果表明，即使在如此严苛的条件下，WRCT覆盖下的模拟皮肤温度仅为40.9°C，远低于低温烫伤阈值，而使用普通涤纶面料时，皮肤温度会迅速升至55.8°C。在真实户外测试中，WRCT的表面温度也持续低于环境空气温度7.2°C–7.8°C，证明了其强大的被动辐射制冷能力。
研究的意义不仅在于卓越的冷却性能，更在于其无缝的电子集成能力和实际应用演示。团队成功将包括光电容积脉搏波描记法（PPG）传感器、压力传感器阵列、微控制器（MCU）和低功耗蓝牙（BLE）模块在内的多种电子元件，直接集成到WRCT织物中，制造了一个多功能智能腕带。这个腕带能够同时监测心率、血氧饱和度（SpO2）并实现手势识别。得益于WRCT的高太阳光反射率，腕带中的PPG传感器在阳光下受到的干扰被大幅降低，获得了比传统面料更稳定、准确的脉搏波形和血氧数据。同时，在腕带进行高强度运算和无线数据传输时，WRCT的隔热和散热特性确保了下方皮肤的温度缓慢上升，始终维持在安全舒适的范围内，而对照设备则在短时间内就超过了皮肤安全温度。
关键技术与方法概览
本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1) 可扩展的一步湿法纺丝技术：利用PVDF的DMAc溶液在饱和NaCl水溶液中发生相转化，直接制备具有层次化多孔结构的WRCT纤维。2) 结构与性能表征：使用扫描电子显微镜(SEM)观察纤维形貌，利用紫外/可见/近红外光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别测量太阳光反射率和中红外发射率，并通过热导率分析仪、透气/透湿测试仪等评估其热学、力学和舒适性。3) 模拟与测试平台构建：通过有限元法(FEM)模拟光场和热场分布；搭建室内模拟测试平台（包含太阳能模拟器、柔性电路热源和模拟皮肤）和进行真实户外实验，量化其被动冷却和热隔离性能。4) 柔性电子集成与系统开发：将激光加工制造的透气电极、商用PPG传感器、压力传感器和定制印刷电路板(PCB)集成到WRCT织物上，构建完整的智能腕带系统，并开发嵌入式算法（如卷积神经网络CNN）进行手势识别。
研究结果
2.1 WRCT的设计与表征
研究人员通过调控湿法纺丝过程中的相转化流体动力学，在不添加任何填料的情况下，制备出了具有内部相互连通的孔隙和表面菜花状结节结构的PVDF微纤维。扫描电子显微镜(SEM)图像清晰展示了这一独特的层次化多孔结构。光学模拟和实验测量证实，这种结构通过米氏共振反向散射，实现了超过95%的太阳光反射率，并通过PVDF中C─F键的固有振动实现了0.96的中红外发射率。与采用传统湿法纺丝制备的致密控制纤维相比，WRCT纤维具有更低的导热系数（0.041 W/mK vs. 0.10 W/mK）和良好的透气透湿性，同时保持了足够的机械强度，可用于纺织加工。
2.2 WRCT织物的被动辐射制冷性能
为评估WRCT在集成电子设备时的真实冷却能力，研究构建了模拟户外穿戴条件的测试平台。将一个产生局部高热流密度（模拟高功耗设备）的柔性电路夹在WRCT织物和模拟皮肤之间，并施加模拟太阳光照。实验结果显示，在高热负载（~17 kW/m2）和阳光照射下，使用WRCT的模拟皮肤温度（40.9°C）相比使用普通商业涤纶面料（55.8°C）降低了近15°C，始终安全地低于43°C的低温烫伤阈值。同时，被包裹的电路工作温度也显著降低。户外实地实验进一步证明，WRCT在正午阳光直射下，其表面温度可始终低于环境空气温度7°C以上，表现出强劲的被动冷却能力。
2.3 集成WRCT的可穿戴设备
为展示WRCT的实际应用优势，研究团队开发了一款集成于WRCT织物的多功能智能腕带，集成了PPG传感器和压力传感器阵列，用于健康监测和手势识别。实验表明，WRCT的高太阳光反射率显著抑制了阳光对PPG信号的干扰，在模拟阳光下获得了比传统面料更稳定的脉搏波形和血氧饱和度数据。在进行需要高采样率和复杂神经网络算法处理的手势识别任务时，WRCT优异的隔热和散热性能确保了腕带下方皮肤的温度上升缓慢，避免了因微控制器自发热导致的烫伤风险，而对照设备则在短时间内就超过了安全温度。
结论与讨论
本研究成功通过一种单材料、无添加剂的策略，调和了可穿戴电子设备的热光学需求与人体生理舒适性/安全性之间的根本矛盾。所研发的可穿戴辐射制冷纺织品利用成熟的湿法纺丝工艺，将普通聚合物转化为具有理想光学和热学性能的层次化多孔结构。该结构不仅通过高效的光散射和热辐射实现了被动降温和阳光屏蔽，其极低的导热系数还构成了皮肤与电子设备之间的有效热障，从而在极端条件下仍能将皮肤温度维持在安全范围内。
这项工作的重大意义在于，它不仅仅展示了一种新型冷却材料，更重要的是提供了一个可立即投入大规模生产、安全且可制造的实用化平台。WRCT完全兼容现有的纺织制造基础设施（纺纱、织造），无需依赖昂贵的纳米材料或复杂的多层复合工艺，因此在成本、环境友好性和机械鲁棒性方面具有显著优势。它为构建可靠、高性能、真正可实现全天候舒适穿戴的下一代电子纺织品系统奠定了坚实的技术基础，有望推动健康监测、人机交互等可穿戴技术在更广泛场景下的应用。
