东华大学陈晴副教授 × 香港理工大学范金土教授、寿大华副教授团队最新《Advanced Energy Materials》：可规模化生产的仿叶片气孔结构湿响应针织面料，可调控服装热湿传递

第一作者：余越云

第一通讯单位：东华大学

通讯作者：陈晴、寿大华、范金土

通讯单位：东华大学、香港理工大学

论文 DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.71020

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近日，东华大学与香港理工大学联合团队在智能响应纺织品与个人热湿管理服装领域取得重要突破，成果以 “Scalable Production of Leaf‐Stomata‐Inspired Moisture‐Responsive Knitted Fabric for Personal Thermal and Moisture Management” 为题，发表于能源材料顶刊《Advanced Energy Materials》。研究受植物叶片气孔湿态开放、干态闭合的自适应调控机制启发，开发出一种仿叶片气孔结构的湿响应面料。通过不同浓度的水性聚氨酯（WPU）制备仿气孔结构的溶胀涂层，结合丝网印刷、激光切割工艺，实现织物遇水 5 秒内快速开孔，湿态透气率较干态提升近 100%，显著优于瓣状结构织物。该面料兼具快速湿响应、高透气、低粘附、抗运动后冷感、耐水洗等优势，且可兼容工业化量产，为功能性运动服提供全新解决方案。

背景介绍

在全球气候变化和极端天气事件日益频繁的背景下，个人热湿管理变得越来越重要。人体与环境之间的热湿管理是通过几种传热传质机制来控制的，包括辐射、对流、蒸发和传导。人体热湿调节对于维持体温和衣下空气层的温湿度至关重要，从而确保热舒适和生理健康。

传统织物缺乏适应周围环境波动的能力。传统面料遇汗易饱和、黏身、闷热，运动后易出现冷感不适。这一限制引起了人们对开发具有对外部刺激响应智能织物的兴趣。因此，湿响应织物已成为动态热湿管理的一种有前途的解决方案。现有湿响应面料多存在力学差、易分层、不耐洗、难以规模化等瓶颈。现有报道的面料或材料多采用瓣状结构，为面外翻转，影响外观与触感，难以成衣化。如何让面料像植物气孔一样遇湿自动 “呼吸”、干燥自动 “闭合”，同时保持柔软、耐洗、可工业化生产，是智能纺织面向商业化的核心瓶颈。

本文亮点

该论文研究者开发出了一种仿叶片气孔结构的湿响应面料（Leaf Stomata-Like Fabrics，LSF），核心创新在于：

1. 仿生设计：以叶片气孔为原型，采用高 / 低 / 高浓度 的水性聚氨酯涂层，利用溶胀系数空间不对称驱动气孔面内快速张开，5 秒响应，开合可逆，湿态自开、干态自合的智能孔隙。

2. 热湿管理性能：LSF湿态透气率提升 98.1%，比瓣叶开孔结构的面料高 70%，比无开孔的面料高 360%；最大热流降低 40%–50%，显著缓解出汗后冷感；湿态面料的皮肤黏附力降低 16%–70%，不粘身、更干爽。

3. 节能与舒适双赢：穿着测试显示衣下微气候降温0.96℃，可将室内空调设定温度上调≥1℃，显著降低建筑制冷能耗。

4. 超稳耐用性：经100 次水洗仍保持稳定响应，5000 次耐磨涂层无开裂、无脱落。

5. 可规模化制造：基于商用丝网印刷、激光切工艺，兼容尼龙、涤纶等多种针织基底，成本低、易推广。

图文解析

一、设计灵感：从植物气孔到智能面料 “呼吸阀”

自然界中，植物叶片气孔可根据环境湿度与水分状态动态开合，精准调控气体交换与水分蒸腾，实现高效自适应生存。受此启发，本研究首次将气孔调控机制引入针织面料体系，提出仿叶片气孔结构的湿响应面料（LSF）设计理念，研究突破传统思路，构建面内开合的仿生气孔结构，实现 “干态闭合锁温、湿态快速开孔散热排汗” 的智能切换（图1）。

设计核心在于利用高、低浓度水性聚氨酯（WPU）涂层的空间非对称溶胀效应，在湿态产生可控内应力，驱动气孔单元定向开启并轻微隆起，既大幅提升服装湿态下透气透湿能力，又减少服装与皮肤有效接触面积，干燥后自动复位平整，不翘边、不影响外观，从热管理与湿舒适两大维度同步提升穿戴体验。该设计兼顾响应速度、功能效果、触感美观与工业化可行性，为智能响应纺织提供了从生物原型到工程应用的完整范式，也为个人热湿管理面料开辟了全新技术路径。

图1：叶气孔仿生面料（LSF）的设计理念

二、形变机制：非对称溶胀驱动气孔精准可逆开合

LSF 的智能响应核心来源于水性聚氨酯（WPU）的差异化吸湿溶胀行为。研究团队制备两种浓度 WPU 体系：高浓度 WPU（HC-WPU）与低浓度 WPU（LC-WPU），系统探究其吸水动力学、体积膨胀规律及微观结构演变。

微观形貌显示（图2a-b），HC-WPU 固化后形成高度多孔结构，吸水通道丰富；LC-WPU 表面更致密，孔隙更小更少。溶胀测试表明（图2c），HC-WPU 吸水速率更快，300 分钟内体积膨胀达442%，吸水率达333%，较 LC-WPU 高出约 20%，展现出显著的吸湿膨胀差异。

为精准揭示形变规律，团队采用 COMSOL 多物理场仿真，建立吸湿溶胀–力学耦合模型。模拟结果显示（图2d-i），水分扩散初期集中在材料表层，形成陡峭浓度梯度与局部应力集中；随水分渗透，应力逐渐均匀化，最终达到稳定膨胀状态。HC-WPU 在全过程中的应力与应变水平均显著高于 LC-WPU，验证了浓度调控溶胀行为的有效性。

在此基础上，设计四种涂层排布方式（图3）：HC/LC/HC、LC/HC/LC、纯 HC、纯 LC。模拟证实，HC/LC/HC 三区域非对称结构开口幅度最大、稳定性最优：两侧高膨胀区快速吸水撑开，中间低膨胀区充当柔性铰链，形成稳定弯曲力矩，驱动气孔定向开启。这种结构既保证快速响应，又避免过度形变，实现快速开启、干燥后平稳复位的可逆行为，为 LSF 结构设计提供坚实理论支撑。

图2：不同浓度WPU的形貌、吸湿溶胀行为及模拟结果

图3：不同聚氨酯浓度分布对气孔开口宽度的影响

三、涂层制备与多尺度结构表征

LSF 采用工业丝网印刷、激光切割制备路线，全程兼容传统纺织生产线，具备规模化量产潜力。具体流程为：先以丝网印刷将 HC-WPU 印于气孔外侧区域，再将 LC-WPU 印于中间区域，经 120℃烘干固化后，用激光在中心位置切割出连续狭缝，形成完整仿生气孔单元（图4a）。

干态下 LSF 表面平整，气孔完全闭合，与普通面料视觉无差异；湿态下气孔沿纬向面内开启，气孔区域轻微向外隆起，形成立体透气通道。与瓣叶开合结构面料（FSF）对比，LSF 为面内形变，FSF 为面外翻起，LSF 在外观平整度、触感柔软度与穿着贴合度上更具优势（图4b-d）。

研究还验证了该工艺对尼龙、涤纶 / 氨纶等主流针织面料均适用，响应行为一致，表明该设计具有广泛基材兼容性。整体结构表征证明，LSF 实现了功能涂层、仿生结构与针织基底的高效融合，在保持面料本体特性的同时赋予智能响应能力。

图4：LSF的制备流程与核心表征

四、湿气响应、透气透湿与舒适耐久性能

湿响应：蒸馏水/ 人工汗液均 5 秒快速开启，遇水后气孔宽度达 1.29mm（图4h）；湿度由 45% 升至 100% RH 逐渐全开，降温干燥后 30 秒内闭合复位（图4i）。

透气与透湿：透气性能测试显示，干态下 LSF 透气率为 464.7 mm/s，湿态下飙升至 920.6 mm/s，提升幅度达98.1%。相比之下，FSF 湿态透气提升有限，常规面料（CF）湿态透气率反而下降。湿态下 LSF 透气率较 FSF 高 70%，较 CF 高 360%，优势极其显著。透湿性能（WVTR）方面，湿态下 LSF 达 8938 g/(m²・day)，高于 FSF 的 8550 g/(m²・day) 与 CF 的 7669 g/(m²・day)。表明气孔结构可高效构建水汽快速传输通道，加速汗液蒸发。

瞬时冷感调控：瞬时冷感测试显示，干态下三种面料无显著差异；湿态下 LSF 的最大热流 Qmax 仅 0.310 W/cm²，较 FSF 低 42%，较 CF 低 50%，有效缓解出汗后快速散热带来的冷颤不适。

防黏附：黏附力测试证实，干态下三种面料黏附力接近；湿态下 CF 黏附力暴涨 365%，FSF 上升 107%，而 LSF 仅上升 69%，湿态黏附力较 FSF 低 16%，较 CF 低 70%，显著改善出汗黏身问题。

耐洗耐磨：经 100 次家用机洗后，LSF 气孔开合宽度无显著衰减，仍保持 5 秒快速响应，涂层无开裂、无脱落、表面平整可复原；经 5000 次耐磨测试，涂层区域依旧完整光滑，具备优异的实际使用耐久性。

 图5：不同结构面料的性能对比

五、气孔分布密度优化与综合性能评价

气孔分布密度直接决定 LSF 的力学性能、透气透湿、柔软度与防黏效果，是成衣化应用的关键参数。本研究固定气孔宽高比 7:9，设计63%、52%、37%、25%、16%五种分布率，系统评估结构与性能关系（图6）。

透气性能显示，干态透气率随密度增加略有下降；湿态透气率在37% 密度时达到峰值 921 mm/s，过高或过低密度均不利于湿态透气。透湿率呈现类似非单调趋势，37% 密度组同样表现最优。湿态黏附力随气孔密度升高持续降低，高密度组防黏效果更好，表明更多气孔单元可更有效减少接触面积。

采用变异系数法对透气、透湿、黏附、强力、柔软度进行加权综合评价，结果显示：37% 气孔覆盖率综合得分最高，平衡了力学强度、柔软手感、透气透湿与防黏舒适，为最优成衣化参数。该结论为 LSF 在运动 T 恤、户外功能服等产品的实际结构设计提供量化指导。

 图6：LSF气孔分布设计与性能

六、热调控性能、真人穿戴验证与节能潜力

团队为评估 LSF热管理能力，搭建模拟皮肤热调控平台，在 0.8 m/s 风速下测试面料与模拟皮肤之间的微气候温度变化。干态下三种面料温度接近；加湿后，LSF 温度快速下降，1 分钟内降至约 22.9℃，最低平均表面温度达 20.9℃，降温幅度显著优于 CF 与仅开孔无响应面料（CFS），表明湿态气孔开启可大幅强化对流与蒸发散热（图7）。

真人穿戴实验选取健康男性受试者，在 27℃、65% RH 环境中进行跑步机运动测试，对比 LSF 与 CF 面料的T 恤的衣下微气候、热成像与主观评价（图8）。结果显示，运动出汗后，CF 明显紧贴胸部与背部皮肤，热成像温度更高；而 LSF 因气孔区域隆起，大幅减少皮肤黏附，表面温度更低。温湿度传感器监测表明，LSF 使衣下微气候平均温度降低 0.96℃，接近 1℃的舒适临界提升值，可将人体热感觉从 “偏暖” 拉回 “中性舒适” 区间。主观评价显示，LSF 在热感、湿感、黏腻感三项指标上均显著优于 CF，运动阶段与恢复阶段的整体舒适感评分更高，受试者反馈 “不闷、不粘、更干爽”。

基于热阻模型推算，衣下空气层温度降低 0.96℃，可支持室内空调设定温度上调至少 1℃。据文献报道，空调设定每上调 1℃，室内建筑制冷能耗可降低约 10%。这意味着 LSF 不仅提升个人穿戴舒适，还能通过减少人体散热负担，间接降低建筑能耗，兼具个人舒适与建筑室内热管理双重价值。

 图7：不同面料结构的热调控性能测试

图8 LSF的穿戴实验验证

研究总结

本研究设计的仿生叶孔型湿气响应智能针织面料（LSF），以非对称溶胀实现 5 秒超快可逆开合，同步突破响应速度、穿着舒适、结构耐用、规模化生产四大瓶颈。面料湿态透气翻倍、冷感降低、黏附大幅减少，100 次水洗仍稳定工作，真人穿戴实现微气候降温与舒适显著提升，并带来建筑节能收益。

该技术为运动服、功能内衣、户外服装、智能调温面料提供一条低成本、可量产、高可靠的全新技术路线，推动智能纺织从实验室走向商业化应用。

团队介绍

余越云，东华大学服装与艺术设计学院博士研究生，主要从事服装科技与可穿戴产品设计。

陈晴，博士，东华大学上海国际时尚科创中心副教授，致力于针织产品和服装设计应用基础研究，可持续时尚材料应用实践研究。主持国家自然科学基金2项，上海市自然科学基金1项，江苏省自然科学基金1项，江苏省政策引导计划产学研项目1项，中国纺织工业联合会科技指导性项目1项，入选江苏省“科技副总”，主持企业横向项目20余项，发表论文50余篇，包括Advanced Energy Material，Advanced Functional Material，ASC Applied Material & Interface，Textile Research Journal等。 授权发明专利15项，部分研究成果已产业化，以第一完成人获中国商业联合会科技进步奖二等奖1项和三等奖1项，参与获得中国纺织工业联合会科学技术奖一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项。获得2024年第二十三届东华大学“我心目中的好老师”称号，参与获得中国纺织工业联合会教学成果奖二等奖2项。针织产品和服装作品设计成果入选上海在2025年世界设计之都大会、2026年上海艺术设计大展等。主持东华大学“针织时尚与数智创新”微专业建设。

寿大华，香港理工大学时装及纺织学院副教授、利民先进纺织科技青年学者，现任香港理工大学未来服装纺织科技研究中心副主任、兴国技术创新研究院副院长及未来智能穿戴中心主任。他是智能可穿戴科技理学硕士课程的创始主任，同时也是美国纤维学会理事会理事。致力于个人热湿管理、智能可穿戴技术及软体机器人等领域的研究，在《Science》、《Science Advances》等国际顶尖期刊发表学术论文100余篇。他带领团队研发了多款创新产品，包括自适应调温智能防护衣、仿生排汗面料等，并多次获得日内瓦国际发明展金奖、TechConnect全球创新奖及美国纤维学会杰出成就奖等国际殊荣。

范金土，现任香港理工大学（PolyU）时装与纺织学院的李氏家族纺织科技讲座教授兼纤维科学与服装工程系主任研究领域包括服装舒适性、服装材料、人体美学、人休工效学 以及智能可穿戴技术等，发明了世界上首个出汗织物假人“华持”（Walter），被认为是20多年来假人 技术上最大的突破。范教授在时尚与纺织领域享有国际盛誉，其研究聚焦于深入理解人体、服装与环境之间的相互作用，并在此基础上开发具有卓越功能性能的高性能纤维材料与时尚服饰。他的研究具有高度跨学科特点，涵盖仪器开发、计算建模、仿生学、纳米技术以及心理学等多个领域。他主持了众多竞争性研究项目，发表或合作发表约300篇SCI/EI收录的同行评审期刊论文，其中多篇发表于相关领域的顶级期刊，包括《Science Advances》、《美国国家科学院院刊》（PNAS）、《伦敦皇家学会会刊B辑：生物科学》（Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences）、《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Nano Letters》、《Soft Matter》、《Langmuir》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》以及《Textile Research Journal》等。范教授荣获多项国际重要奖项，包括： 2016年英国纺织学会（The Textile Institute）颁发的“华纳纪念奖章”（Warner Memorial Medal）；康奈尔大学授予的“摩根一百五十周年研究员”（Morgan Sesquicentennial Fellow）称号；2010年被授予英国纺织学会荣誉会士（Honorary Fellow of The Textile Institute），该荣誉为该学会授予的最高荣誉，以表彰其在创造力与知识进步方面的卓越贡献；2004年第32届日内瓦国际发明展金奖（Gold Medal Award）；2003年美国国际纤维学会（Fiber Society）颁发的“杰出成就奖”（Distinguished Achievement Award）。