在自然界中，行军蚁展现出独特而精妙的热适应策略以适应环境变化。通过利用自身身体构建巢穴，控制巢穴的形状和大小来维持内部适宜的温度。此外，行军蚁能够感知周围环境的危险信号并与整个蚁群进行交流，促使它们迁移到新的筑巢地点。依靠这种独特的热适应策略，行军蚁得以在极为多样化的栖息地中生存。相比之下，传统织物只能提供单一功能和有限范围的热调节能力，当面临较冷或较热的环境时，无法像行军蚁那样迅速自动地适应温度的突然变化。
香港城市大学于欣格教授联合西南医科大学附属医院杨志惠教授开发了一种受行军蚁巢启发的自适应织物（ANT），用于个人温度管理和健康监测。这种织物能够快速吸收汗水，通过改变结构以促进热量散发。同时，ANT具备比色传感功能，使穿着者能够快速识别体温、紫外线辐射、汗水pH值等多种健康相关的信号，并提醒他们迁移到安全环境，有效降低身体受到伤害的可能性。值得一提的是，ANT的功能无需外部提供电源，再加上其出色的可量产性和生物相容性，ANT为下一代智能电子纺物的个人温度和健康管理提供了一个充满前景的方向。
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图1：受行军蚁巢热调节行为启发的智能自适应纺物设计。a，b）行军蚁（E. hamatum）巢的照片，通过活蚁抓住跗节爪子相连构成。图片由Daniel Kronauer授权使用。c）行军蚁巢的热自适应行为示意图，包括巢的结构变化和迁移，以及将行军蚁巢的热适应行为融入到ANT设计中的灵感。d，e）湿润后ANT与商业纺织品之间尺寸响应和空气透过性（µair）的比较。f）ANT的特点示意图以及由ANT制备的热自适应服装原型。
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图2：羊毛纤维和纱线通过吸水引起可逆结构转变。a）羊毛纱线结构变化原理。b）羊毛纤维在潮湿（浸入人工汗液中1分钟）和干燥条件（相对湿度60%，在环境中调节24小时）下的显微图像。c）羊毛纤维的模拟应变分布。d）羊毛纱线在湿润（含水量100%）和干燥条件（含水量0%）下的显微图像。e）羊毛纱线的模拟应变分布。f）在干燥-湿润循环过程中羊毛纤维和纱线的循环拉伸变形。g）不同含水量下扭转角度与纱线直径之间的关系。h）湿润和干燥纱线的应力-应变和扭转角度-应变曲线。i，j）羊毛纤维等离子处理的示意图。k）等离子处理前后羊毛织物的照片和相应的扫描电子显微镜图像。l）等离子处理持续时间对吸水率的影响。m）不同等离子处理时间后羊毛织物的傅立叶变换红外光谱。
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图3：ANT的结构设计考虑。a）在干燥-湿润循环中，普通结构和改进结构的尺寸响应比较。b）在实际应用中观察到的普通结构和改进结构的不同结构变化示意图。c）在不同含水量下，普通结构和改进结构在水平和垂直方向的作用应变。d）在干燥-湿润循环测试期间织物尺寸的变化。e）含水量增加时ANT的空气透过性（µair）变化。f）在不同含水量下，ANT平均孔面积的变化，n = 15。g和h）在湿润（含水100%）和干燥条件（21°C和相对湿度60%，在环境中调节24小时）下，织物孔隙率和辐射透射率的变化。
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图4：ANT的健康相关信号检测能力。a）ANT在各种真实环境中（包括室内和室外环境）下的颜色响应。AC = 空调。b，c）展示开发的智能手机应用程序，该应用程序提供传感数值和反馈给用户。d–f）在各种实验条件下，ANT与pH、紫外线和温度比色传感器集成的可见光谱反射曲线。g）经过洗涤测试后，ANT的可见光谱反射曲线。h）pH、紫外线和温度传感器在不同条件下颜色变化的照片。i）关于pH、紫外线和温度传感器颜色变化的耐久循环测试。
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图5：ANT在穿戴试验中的展示。a）穿戴试验示意图与无线温度传感器的布置图。b）试验期间记录覆盖ANT和控制物的心率、跑步速度和皮肤表面温度。c）对比ANT比色传感器和实验室测试汗液pH和温度的结果。d）穿戴试验前后比色传感器的色彩响应对比。e）实验结束时对控制组和ANT袖口的热成像图片。f）穿戴试验前后袖口在不同方面的结构变化对比。
作者展示了一种由行军蚁巢启发的智能热调节和健康监测自适应纺物。这种纺物可以在没有外部电源供应的情况下吸收穿戴者的汗液并改变结构以促进热平衡。同时，它还具有比色传感功能，使穿戴者能够快速识别体温、紫外线辐射、汗液pH值等健康相关信号。研发的智能手机应用程序能提供传感数值和反馈给用户。穿戴试验显示，该纺织品制成的袖口在吸汗后不仅明显缩短了长度以增加皮肤暴露的面积，还同时提高了透气性和红外透过率。这种纺物具有可量产和生物相容的优势，为下一代多功能可穿戴电子产品的发展开辟新的的机遇，构建智能个人健康和热量管理系统，从而提升个人生活质量。
【参考文献】
https://doi.org/10.1002/adma.202406798
