高温难耐？可随身携带的个人降温设备来了

图片来源：YASARA GUNAWARDENA FOR THE WALL STREET JOURNAL

Mark Harris

在东京和香港，一些上班族有个对抗夏季高温的秘密武器。

将索尼公司的Reon Pocket 4穿戴式智能冷暖调温装置巧妙地放进特制商务衬衫衣领的口袋里，脖后便能感受到一块金属板带来的凉意。这个小玩意大约是一个小型电视遥控器的大小，其原理是基于一种叫做“珀耳帖效应”(Peltier effect)的温差电现象(thermoelectric phenomenon)。当有电流通过两种不同导体的接口处时，两边会分别出现吸热和放热现象，从而能有效地从穿戴者身上带走热量。

尽管上一代Reon制造的凉气并不大，但其电池较小，去年一上市就迅速售罄。索尼表示，可以看到人们对个人降温(personal-cooling)技术的兴趣在不断增加，公司预计该市场会不断扩大。

全球变暖的趋势正促使人们努力寻找个人降温的新方式，这在一些人看来颇具挑战，因为它不仅关乎舒适度的问题。无论是探索如何将温差电技术提升到新的水平，还是从沙漠中的蚂蚁和骆驼身上寻找灵感，研究人员和科学家们都在寻求创新的解决方案，不仅要适用于汗流浃背的主管们，也适用于农民、工厂工人、急救人员和其他无法使用传统空调的人。

索尼Reon Pocket 4 穿戴式智能冷暖调温装置可为个人实现制冷和供暖。

图片来源：SONY GROUP CORPORATION

加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)纳米工程系教授Sheng Xu说：“你无法在野外随身携带一台空调。”他正在研究下一代温差电设备，为的是让农民和其他户外工作者在气温升高时能缓一缓。他说：“这种设备目前成本太高，而且对于长时间进行高强度工作的人来说太重了。”

Xu将柔性温差电原型贴片集成到衬衣中，温差电设备的热端与皮肤被一个小气隙隔开，这样可以防止热量回流到穿戴者身上。他说，自己此前演示过，局部温度可下降约10摄氏度（18华氏度），还设想用手机大小的电池组为该系统提供最长达8小时的电量。

“产品在两年内应该可以应用，”他说，“现在，除了生产，一切都由我的学生手工制作，这并不是什么火箭科学。”

另一些人则对温差电能解决个人降温问题持怀疑态度。“它们不是非常有效，要在一个四处走动且不与电源相连的人身上为其供电是相当有挑战的，”哈佛大学化学教授Jarad Mason说。Mason专注于空调领域而非个人降温领域的研究，其研究重点是用所谓的“庞压卡材料”（barocaloric materials，一种受挤压时会升温或降温的固体）取代液态制冷剂。他说，这种固定住的制冷设备类似于目前使用的窗机和热泵，但体积更小、更简单、也更环保。

“高温问题已困扰国土安全部多年”，美国国土安全部科学与工程办公室灾后复原方面的高级科学顾问David Alexander表示，“极端高温事件在美国各地越来越频发。它是天气相关原因致死案件中最重要的一个原因，而且其占比还在不断上升。”

美国国土安全部的使命之一就是保护急救人员、户外工作者和因紧急情况流离失所者，为此，该部门于2021年发起了一项奖金价值19.5万美元的制冷解决方案挑战赛，以推动研发出高效、轻量的制冷技术，让人们可以坐在里面、随身携带甚至是穿戴上身。

一位受撒哈拉银蚁启发的企业家成为去年夏季该项挑战赛的获奖者之一。银蚁在炎热的沙漠中生存，是世界上速度最快的蚂蚁，它能在非洲烈日下迅速从阴凉处飞奔出来觅食。

撒哈拉银蚁身上的特性让其可以经受高温，这为一些研发制冷技术的研究人员提供了灵感。

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在研究自然界如何应对高温时，来自北卡罗来纳州的材料科学家Don Chernoff读到了苏黎世大学牵头进行的有关撒哈拉银蚁的研究。多年来，自然学家一直认为这种蚂蚁只是身上的银色反射足够的阳光以保持自身处于安全的温度。但是，由美国和瑞士科学家组成的一个团队发现，这只是故事的一部分。

他们在功能强大的显微镜下观察蚂蚁，发现它的毛发已经进化成一种不寻常的三角形，就像小小的空心Toblerone三角巧克力。这种结构能够非常有效地散射包括阳光在内的大部分辐射。但同时，它对于对应蚂蚁自身体温的红外辐射窄带几乎是透明的，使它们即使在日晒最强的日子里，也能散出体热。

2020年，中国宁波大学的研究人员展示了蚂蚁的散热系统也可以在人类这个体量上发挥效果。他们仿照蚂蚁的毛发，在一块智能手表上覆盖了带有三角形气隙的微小硅胶纤维，使手表的温度降低了4.5摄氏度（8华氏度）。Chernoff利用他获得的2.5万美元的挑战赛奖金，聘请北卡罗来纳州立大学的纺织工程师开发一种毛发状服装材料，这种材料可以为穿戴它的人降温。他承认，任何降温服装离上架都还有很长的路要走。他说：“到目前为止，一切都只是挑战，没有成功过，但我希望今年能有织物可以进行测试。”

瑞士洛桑联邦理工学院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)的材料科学家Zhengmao Lu则是受骆驼的启发，他所在的团队在美国国土安全部举办的挑战赛中获得了亚军。

骆驼厚厚的皮毛可以帮助它们隔绝外界的热量，同时也能让汗液中的水蒸气排出体外。

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“如果给骆驼剃毛，它的耗水量会增加一倍，”Lu说。“在炎热的沙漠中，留有厚重的毛乍一看似乎有悖常理，但这却是骆驼生存所必需的。”

和人类一样，骆驼也有汗腺，利用蒸发来降温。在沙漠烈日下，骆驼厚重的毛使其与炎热的环境隔绝，同时也能让汗液中的水蒸气排出体外。

Lu的方案是根据骆驼的散热系统重新设计出一种多层材料，这种材料可以制成服装，不过就目前而言，还只能制成一种在炎热天气下保持食品和药品低温状态的包装材料。他用一种按重量计含水量高达99%的类似胶原蛋白或明胶的聚合物网络打造类似肌肤的水凝胶，以此来模拟“骆驼的汗水”。在这上面，Lu放置了一层气凝胶来模拟 "骆驼的毛皮"。这种坚固且超轻的顶部结构90%是空气，这使其既高度隔热，又对水蒸气具有极强的渗透性。

为了使这种复合材料更加有效，Lu使用了一种与银蚁一样能散发红外辐射的水凝胶，还用了一种气凝胶，后者在允许该辐射通过的同时还能反射阳光。Lu说，在测试中，这种材料能使一个容器保持在比环境温度至少低9摄氏度（16华氏度）的状态，而且不需要使用任何能源。

Lu认为他的技术最初可用于保持包装冷却，“我们正在开发的材料完全适用于个人降温，”他说。“通过调整材料的层数，你可以根据不同的气候条件选择不同的方案，这真的很酷。”