当前，微气候调节织物在极端环境活动与可穿戴健康传感技术推动下成为研究重点，然而传统技术因功能单一、结构设计简单，难以在薄型高透气条件下集成空气净化与自供电传感等功能。现有技术面临三大瓶颈：耦合热质传输机制不足，动态响应性受限，以及舒适性与耐久性之间的矛盾。其根源在于材料结构未能匹配热湿传输规律与多场景需求，缺乏仿生机制，跨尺度结构及动态调控的系统整合。因此，开发基于仿生原理、具有双尺度异质界面的新型织物，成为突破上述瓶颈的关键路径。
为此，中国矿业大学何新建教授、徐欢副教授受植物蒸腾作用启发，开发出一款具有微环境调节功能的仿生超织物（BMR-PLA）。该材料通过构建双尺度异质界面，实现了反重力水分传输与超高效蒸发冷却，兼具高透气性、优异蒸发速率、穿戴舒适性及自供电监测等多重功能。在极端环境条件下，该织物展现出显著的人体微气候温湿度调控潜力，为发展下一代自适应型可穿戴设备提供了创新思路与材料基础。相关研究以“Bioinspired Dual-Scale Heterointerfaces Engineering Strategy to Microclimate-Regulating Meta-Fabrics toward Multimodal Self-Adaptive Personal Thermal-Moisture Management”为题发表于学术期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202525521）。
论文第一作者为2025级博士生汪少振，合作者包括中国安全生产科学研究院王小蕾研究员、核生化灾害防护化学全国重点实验室李晓鹏、李和国研究员，西安交通大学杨书桂教授，扬大高杰峰教授，以及矿大范孟豹、陈小雨、史波波教授。该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省基础研究计划重点项目等项目资助。
摘要图：微环境调节功能的仿生超织物设计与多模态自适应功能集成
仿生双尺度界面巧织“会呼吸”智能织物
首先阐释了BMR-PLA仿生元织物的核心设计理念，其灵感源于植物从根系吸水、维管束输运到叶片气孔蒸腾的全过程。织物巧妙地构建了由“吸湿层”与“蒸发层”组成的双尺度异质界面：吸湿层模拟植物维管束，利用微沟槽纤维产生的强大毛细力实现“抗重力”单向泵水，主动将汗液从皮肤抽离；蒸发层则仿生叶片气孔网络，通过其高比表面积、多孔结构及功能化修饰（SiO2与CNT@ZIF-8），极大地加速水分蒸发与热耗散。这一“传输-蒸发”协同机制，不仅解决了传统织物汗液积聚、湿黏不适的痛点，更将热湿管理、自供电呼吸传感与高效空气净化功能集成于一体，展现了其在下一代可穿戴设备与个人防护装备中的巨大潜力。
图1. 仿生超织物的仿生设计及其多功能应用
梯度纤维与多孔结构赋能湿热调控
从微观尺度深入揭示了BMR-PLA的材料构成与界面特性。扫描电镜清晰显示，吸湿层由具有独特微沟槽结构的大直径纤维（~2.3 μm）构成，如同微小的“引水渠”；而蒸发层则由嵌入SiO2并锚定CNT@ZIF-8的超细纤维（~650 nm）组成，形成了丰富的纳米级粗糙度与超高孔隙率网络（~90%）。FTIR与XRD分析证实了SiO2的Si-O键与ZIF-8中咪唑环C=N键的成功引入，确保了化学功能的精确集成。EDS元素面分布图进一步展示了锌、硅、氮等特征元素的均匀分布，这为界面电荷传输与水分子的快速吸附-扩散提供了物理基础。正是这种从微米到纳米的梯度结构设计与多组分协同，赋予了织物卓越的力学强度与稳定的异质润湿性。
图2. 仿生超织物的微观结构与成分表征
高透气性与单向导湿共筑舒适微环境
通过模拟植物蒸腾过程中气体与水分在叶脉网络的传输路径，量化了BMR-PLA仿生超织物的透气与湿气管理性能。透气性测试表明，其梯度孔道与纤维尺寸构成了优化的气流路径，在125 Pa压差下空气渗透率高达199 mm·s⁻1，约为棉布的2.5倍，能迅速带走闷热湿气。突破压力与芯吸高度测试则揭示了其智能的液体管理能力：蒸发层凭借亲水性和纳米通道表现出极强的毛细作用，而吸湿层的疏水性则有效阻止了外部液体反渗。这种“透气顺畅、单向导湿”的特性，协同构建了一个动态平衡的皮肤微环境，从物理上杜绝了“汗湿贴身”和“外部浸湿”带来的不适感。
图3. 仿生超织物的透气性与湿气传输行为
毛细效应驱动的反重力汗液传输
结合可视化反重力水分传输与高效吸湿排汗，生动揭示了BMR-PLA实现“逆重力”输水的内在机制。实验显示，滴在吸湿层的液滴能在4秒内被自动泵送至蒸发层，并快速铺展蒸发，展现出高达1180%的单向导水指数。其核心驱动力源于精心设计的“双尺度异质界面”：在吸湿层与蒸发层之间，存在的纤维直径、孔径尺寸与表面润湿性（接触角从117°到0°）的剧烈梯度，共同产生了强大的拉普拉斯压力差（ΔP）。这个压力差如同一个无形的泵，持续将汗液从皮肤侧（低毛细压力）“推”向环境侧（高毛细压力），即使在高湿度环境下也能保持稳定的单向传输，从机理上突破了传统双层织物界面易堵塞、速率慢的瓶颈。
图4. 仿生超织物的反重力水分传输性能与机理分析
动态响应复杂环境的自适应热管理
通过红外热成像与实时温度监测，直观证明了BMR-PLA为穿戴者带来的卓越舒适体验。在干燥状态下，织物能有效隔绝热量，维持体表温度；而当皮肤出汗时，其卓越的“吸湿-输运-蒸发”程序立即启动，通过水分蒸发大量吸热，使织物表面温度在湿态下仍能比棉布高2-3°C，这意味着更高效的热量导出。更引人注目的是，在模拟呼吸的循环测试中，BMR-PLA面具表面可实现高达5.2°C的温度波动，展现出对生理活动的动态响应能力。这种“干时保温，湿时冷却”的自适应智能调温特性，使其能从容应对从静态休息到剧烈运动等多种场景。
图5. 仿生超织物的热生理舒适性调控性能
自供能呼吸传感与高效空气净化
此外，BMR-PLA仿生超织物超越传统织物具备额外的“智能”与“防护”双重属性。在呼吸监测方面，织物利用呼吸节律引起的周期性机械形变，通过摩擦电效应直接产生电信号（电压~2V，电流~40nA），无需外部电源即可清晰区分弱、常、快、深四种呼吸模式，为健康监测提供了便捷方案。在空气净化方面，其梯度纤维网络构成了物理筛分屏障，而CNT@ZIF-8引入的丰富电活性位点则提供了强大的静电吸附能力，两者协同使得其对最具穿透性的PM0.3颗粒在85 L·min⁻1的高流速下仍保持97.2%的过滤效率，同时保持极低的空气阻力，综合性能（QF值）远超商用棉布和纯PLA膜。
图6. 仿生超织物的自供能健康监测与空气净化性能
小结
本研究开发的BMR-PLA仿生超材料织物，通过创新的双尺度异质界面工程设计，在个人热湿管理领域实现了重大突破。该织物不仅完美模拟植物蒸腾机制，实现反重力单向水分传输和快速蒸发冷却，更将热湿管理、自供电呼吸监测与高效空气净化等多功能智能集成。其独特的梯度纤维结构与表面功能化修饰，使织物具备卓越透气性与动态温控能力，在干湿环境下均能保持优越的穿戴舒适性。经过严格的耐久性测试织物仍保持优异性能稳定性，展现出出色的实用价值。本工作不仅为解决传统纺织品在极端环境下的使用局限提供了创新方案，更为开发新一代智能可穿戴系统奠定了坚实的技术基础，预示着智能纺织品将从单一功能向环境自适应、健康可监测的多模态系统演进的重要趋势。
作者介绍
汪少振：中国矿业大学2025级博士研究生，主要研究多孔聚合物MOF/COF与可降解高分子材料形态调控及其在个体防护与空气治理研究。在Advanced Functional Material（2篇），Chemical Engineering Journal（1篇），Journal of Hazardous Materials（2篇），Journal of Membrane Science（1篇）等国内外期刊发表学术论文10余篇，申请/授权发明专利十余项。先后荣获省级优秀毕业生，省级优秀毕业论文，国家奖学金（连续2次）等荣誉。
何新建：中国矿业大学职业健康研究院院长，江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心主任，应急管理部有限空间事故调查指导专家组专家，国家“万人计划”青年拔尖人才、江苏省特聘教授、国家重点研发计划首席科学家，美国注册安全专家（CSP），美国注册工业卫生专家（CIH）。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文近100篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP副主编等。
徐欢：先后毕业于南昌大学、四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位，长期从事高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，围绕高分子形态控制机理、特殊结构成型方法与多学科交叉应用开展系列工作，已发表研究论文100余篇，授权发明专利20余件，入选2025全球前2%顶尖科学家榜单。研究获得国家自然科学基金青年和面上项目，国家重点研发计划，江苏省基础研究计划重点项目，国家能源集团十大科技攻关项目等资助支持。获2021年贵州省自然科学奖三等奖，2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖，2025年第三届全国博士后创新创业大赛铜奖，2025年第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江苏省二等奖、全国二等奖等科研奖励。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202525521
