在极端气候频发的背景下，可根据环境变化主动调温、并实现人体运动监测的可穿戴材料，已成为智能健康与功能纺织领域的重要研究方向。但现有可穿戴材料大多仅具备单一的制冷或加热功能，且健康监测模块往往依赖外部电源，难以满足长期在户外和复杂环境下的应用需求。

近期，陕西科技大学马建中教授、鲍艳教授团队以天然皮胶原基材料（N-Skin）为核心，结合化学气相沉积聚合与静电纺丝技术，实现了材料结构与光谱特性的双重调控。所得材料（DM-Skin）通过简单翻转即可在辐射制冷与辐射制热模式间自由切换，并集成自供能运动监测功能，在复杂户外环境中展现出优异的冷热调控能力、稳定的能量采集性能以及良好的穿戴舒适性，为多功能智能穿戴材料的发展提供了新的研究思路。相关研究内容以“Dual-Modulated Natural Skin-Derived Composite for On-Demand Personal Thermal Management and Self-Powered Motion Monitoring”为题目，发表在《Advanced Fiber Materials》上。

在N-Skin内部区域性原位生长光热材料聚吡咯（PPy）。吡咯蒸气在N-Skin的良好渗透性，使PPy得以均匀包覆胶原纤维束表面，有效规避了传统溶液聚合中其表面易脱落的问题，赋予材料稳定而高效的光热转换能力。与此同时，在N-Skin另一侧通过静电喷涂构建离散型粘结点，并结合原位静电纺丝制备聚氨酯/SiO2纤维膜，成功构建了辐射制冷功能层。该结构设计在提升层间结合强度的同时保留了贯通孔道结构，兼顾结构稳定性与透气性。

图 1 DM-Skin的制备及表征。

如图2所示，DM-Skin 展现出Janus光谱调控特性。制冷侧凭借纤维表面脊沟结构和随机三维多孔网络，在全太阳光谱范围内实现了94%的高太阳反射率，有效抑制太阳热输入；同时在8-13μm大气窗口波段具备约96%的中红外发射率，可将人体热量高效辐射至外太空，实现优异的被动制冷效果。相比之下，制热侧表现出接近93%的太阳吸收率，显著提升光热转换效率，实现高效被动升温。更重要的是，该光谱特性在宽入射角范围内保持稳定，确保了实际穿戴中的可靠热管理能力。理论计算进一步表明，DM-Skin在制冷模式下最高净制冷功率可达99.2 W·m-2，而在加热模式下净制热功率高达770.8 W·m-2，充分体现其高效的双模被动热管理能力。

图 2 DM-Skin的光学性能。

进一步，户外实测直观展示了DM-Skin的按需热管理能力（图3）。夏季正午强日照下，处于制冷模式下的DM-Skin温度显著低于N-Skin、传统皮革及合成革材料；翻转至制热模式后，温度又明显高于对照材料，说明其具有优异的双向冷热调控能力。即便在多云与晴天交替的复杂天气条件下，DM-Skin仍能根据太阳辐照强度变化实现可控的温度调节，展现出宽达33.6 ℃的有效热调控区间。此外，在夜间或无日照环境下，加热侧仍可维持持续的保温，增强了对环境温度波动的适应能力。

图3 DM-Skin的热管理性能。

除热管理功能外，DM-Skin 还可作为高性能摩擦纳米发电机（DM-Skin TENG），实现机械能采集与自供能感知（图4）。在接触-分离模式下，以DM-Skin制冷侧作为正摩擦层可高效产生摩擦电荷，而DM-Skin内部由三维胶原纤维网络与区域分布的 PPy 构成多级电荷俘获结构，可有效限制电荷泄漏、延缓衰减。得益于这一高效的摩擦电调控机制，DM-Skin TENG实现168.5 V的开路电压、4.2 μA的短路电流和 59.2 nC的电荷转移量。其输出性能随有效面积和加载压力增大而提升，并在宽频范围内保持稳定，表现出良好的机械适应性与可靠性。

图 4 DM-Skin TENG的摩擦电输出性能。

如图5所示，DM-Skin TENG 的表面电荷密度优于多数同类柔性纤维基摩擦电器件，在1000次接触-分离循环后输出电压仅小幅衰减，显示出良好的耐久性。该自供能系统不仅能够驱动电子表、点亮数百枚 LED，并可用于人体运动监测与信息识别。在关节弯曲、手指活动等不同动作下，DM-Skin 输出信号具有良好的重复性与辨识度，甚至可精准识别基于摩尔斯电码的敲击信息，充分展示了其在智能服装、健康监测及信息加密等领域的应用潜力。

图 5 DM-Skin TENG的应用。

总之，该工作通过对天然皮胶原基材料结构与功能的协同调控，实现了按需热管理与自供能运动监测的一体化集成，为高舒适性、多功能智能穿戴材料的设计提供了一种具有可行性的新策略。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00669-9