本文由论文作者团队撰稿 (文章来源：先进制造）
导读
尽管寒冷气候常常被全球变暖事件所掩盖，但由“暖北极-冷大陆”模式驱动的北半球前所未有的寒流可能会成为对全球公共卫生的重大且被低估的威胁。在寒冷环境下，佩戴面罩是预防呼吸道疾病的关键手段之一，但其应用始终面临的核心挑战是：如何在保障充足氧气摄入的同时，维持面部微环境的热湿舒适性。此问题的关键在于，呼吸过程中产生的强制对流会显著破坏口罩与面部间的静态热湿平衡，降低面罩的热交换效率，导致传统面罩难以兼顾 “热湿调控”与“呼吸通畅”的需求。
此前，研究人员尝试通过两种路径解决此问题，但均存在明显局限：①采用低导热、低中红外发射率的织物材料提升静态保温性能，但经纬编织的开放式孔隙织物结构难以抑制强制对流造成的热损失，仅0.5 m/s气流即可导致织物微环境内30%以上热量流失；②利用热湿交换器通过过滤材料吸收呼气余热和水分，但这类设备体积大、重量高、呼吸阻力大，且存在二氧化碳蓄积的“死腔”，无法满足长时间使用需求。
在冰封的北极荒原，-30℃的极寒环境足以让寻常呼吸都成为挑战，但北极海豹却能从容应对。这是因为演化赋予它们一套精妙的“生物恒温系统”——其鼻甲骨交织成迷宫般的复杂结构，可锁住绝大部分呼出水分和热量，同时让寒冷气流在迂回通道中与温热黏膜充分接触，从而加热和加湿冷空气，成为天然“御寒神器”。
华中科技大学教授陶光明团队受到北极海豹鼻甲骨生物特性的启发，首次提出并构建了异构形态结构面罩（MetaMask），在寒冷环境防护装备研发领域取得重要进展。相关研究成果于11月21日，以“A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments”为题发表于《Nature Communications》。华中科技大学博士生吴嘉威、硕士生张子韩和首都医科大学附属北京安贞医院周宁教授为论文共同第一作者，陶光明教授为论文通讯作者，华中科技大学体育学院为作者第一署名单位，体育学院曾洪涛教授、孙竞波教授、周霄副教授从分别从运动训练、运动表现和健康促进的三个维度开展了相关实验，实验结果对MetaMask在运动健康领域的广泛应用提供了科学依据，这是华中科技大学体育学院首次在《Nature》系列子刊上发表体工交叉服务运动健康论文，实现了中部地区体育学科顶刊“零的突破”。
视频1：面向冷环境热湿调控的异构形态面罩
基于光-热-质传递耦合理论，团队通过 “非对称辐射调控” 与 “冷凝-蒸发协同” 双策略，从结构设计层面打破“热湿调控与透气”固有矛盾：以非对称光热结构增强人体红外辐射的捕获效率与热量留存能力，利用间隔织物层中大量垂直纤维构建多级热交换界面提升热传递速率，同时通过周期性交错孔隙在保障透气的前提下延长气流滞留时间，构建闭环热湿调控机制——呼气时纤维捕获显热并冷凝水分，吸气时预加热纤维同步释放热与湿，通过非对称光学结构和异构形态设计减少温湿度调控过程中的能量损耗，完成对吸入空气的温湿度调控（图1）。
图1：MetaMask异构结构设计策略
图源：Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66489-y
为系统验证MetaMask在寒冷环境下的实际应用性能，在-20℃条件下开展人体实验，从热湿调控、肺功能保护及摄氧保障三个核心维度量化评估其综合效能（图2）。在热湿调控性能方面，MetaMask依托非对称红外辐射调控的光学设计在单呼吸周期内可实现82.1±0.7%的热回收与94.1±1.1%的水分回收，可将吸入空气温度提升至26.2±1.8℃，面部皮肤温度维持在27.6±1.4℃，较商用面罩分别提高115%和16%。归因于MetaMask高效的水分回收特性，导致其长期使用表面几乎无结霜，解决了传统面罩低温环境易结霜的问题。在肺功能保护和摄氧保障方面，MetaMask不仅有效缓解运动性支气管收缩，更在在不同运动强度下稳定维持受试者血氧饱和度处于正常范围，而多层面罩因高呼吸阻力导致高强度运动后血氧饱和度显著降至 89%，证明其在保障呼吸通畅与氧气摄入的可靠性。此外，该面罩通过优化织物非对称辐射结构，实现对 UVA/UVB 波段的高效屏蔽，紫外线防护系数远超传统商用面料，服役性能优异，且兼具自清洁能力，实现了防护性能、耐用性与使用舒适性的协同优化。
图2：低温环境人体运动实验
图源：Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66489-y
总结与展望
团队提出的MetaMask突破了寒冷环境下面罩“热湿调控与透气”的固有矛盾，为该场景面罩设计、应用及性能优化提供创新性技术思路。中国科学院院士、吉林大学于吉红教授在National Science Review上发表专题评述文章（DOI：10.1093/nsr/nwaf573）称：“推动了可穿戴防护装备工程领域的发展，为暴露在极端寒冷环境中的人群提供了关键支持（vital support）”“标志着应对寒冷环境相关健康威胁的重要一步，为解决全球寒冷环境中的公共卫生安全挑战做出了重大贡献 （significant contribution）”。该技术已为相关国家战略任务提供技术支持，是“科技冬奥”的重大标志性成果之一。MetaMask采用规模化量产工艺，无需特殊定制设备或高成本加工工艺，大幅降低技术转化门槛，打破了高端防护装备的价格壁垒。其核心技术可延伸至冰雪运动装备、高原防护用品、医疗呼吸辅助设备等多个领域，助力我国防护装备产业从“产品出海”向“技术出海”转型，契合“三亿人参与冰雪运动”的国家战略，为冰雪经济注入持久动能。从冬奥赛场的科技赋能到极端环境的民生保障，从学术领域的国际引领到产业层面的升级驱动，该成果既彰显了中国“智”造的硬实力，更传递了科技守护生命的温度。未来，随着技术的持续迭代与场景拓展，MetaMask将继续引领全球极寒防护装备的发展方向，为应对全球寒冷相关公共健康挑战贡献中国方案与中国力量。
论文信息
Wu, J., Zhou, N., Zhang, Z. et al. A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments. Nat Commun (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66489-y
