东华大学陈晴&肖鑫和香港理工大学范金土Small：一种具有运动自适应动态热管理功能的双层透气针织物

英文标题：

Double Layered Breathable Knitted Fabric With Human Motion Adaptive Function for the Dynamic Thermal Management

东华大学陈晴、肖鑫和香港理工大学范金土近期于 Small 期刊发表论文

《Double Layered Breathable Knitted Fabric With Human Motion Adaptive Function for the Dynamic Thermal Management》

https://doi.org/10.1002/smll.75421

论文封面：

Keywords: Dynamic thermal management, Knitted fabric, Motion adaptive, Multimodal body heat regulation, Thermoregulatory clothing

摘要：

随着全球气候变暖以及个体热舒适需求的不断提高，传统服装在人体运动与静止状态下难以同时兼顾保温与散热性能。针对这一问题，本文提出了一种具有局部运动自适应功能的双层透气针织织物（Double Sides Breathing Fabric，DSBF）。该织物通过特殊结构设计，将人体运动产生的机械形变转化为织物网孔和贯通孔的动态变化：运动过程中，织物受到拉伸，网孔面积增大并逐渐形成贯通孔，从而增强人体与外界之间的热量和水分传递；运动停止后，织物依靠自身弹性恢复，网孔和贯通孔逐渐闭合，减少热量损失并增强保温性能。

实验结果表明，DSBF具有优异的变形能力和结构回复性能，在140%拉伸状态下，其透气率可达到初始状态的300%。随着拉伸变形增加，织物表面网孔逐渐扩大并形成贯通孔，使人体与外界之间建立更加直接的空气交换通道。热传递实验和有限元模拟进一步验证了织物结构变化对热传递性能的调控作用。将DSBF局部应用于服装后，运动状态下服装内表面温度可降低约0.8°C，而静止状态下可升高约1.3°C，实现了人体运动与静止状态之间的双向动态热调节。研究表明，DSBF为运动服装的个性化热管理以及建筑室内运动环境中的节能提供了一种新的技术路径。

本文亮点：

1. 提出了一种基于人体运动机械形变驱动的双层自适应透气织物结构。
通过织物自身的拉伸与弹性回复，实现网孔和贯通孔的可逆开启与关闭，无需额外能源、传感器或驱动装置，即可根据人体运动状态自主调节热量传递。

2. 构建了“结构变形—空气交换—热传递”协同调控机制。
运动过程中，DSBF网孔扩大并形成贯通孔，促进对流、辐射以及热湿传递；静止后网孔恢复并关闭，减少空气交换和热量损失，从而兼顾运动状态下的散热与静止状态下的保温。

3. 实现了服装内微环境的双向动态温度调节。
基于DSBF设计的服装在运动状态下可使服装内表面温度降低约0.8°C，在静止状态下提高约1.3°C，并具有潜在的建筑节能价值。

研究背景：

人体热舒适受到环境温度、活动状态以及服装热湿传递性能等多种因素的共同影响。传统服装通常采用固定的织物结构，其热阻和透气性能在穿着过程中基本保持不变，因此难以适应人体运动过程中不断变化的热调节需求。尤其是在运动状态下，人体产热和出汗量显著增加，需要服装快速释放热量和水分；而运动停止后，人体产热下降，则需要服装降低热量损失、维持体温稳定。因此，如何在同一服装中实现运动状态下的快速散热与静止状态下的有效保温，是动态热管理服装面临的重要问题。

目前的主动热管理服装通常需要风扇、电池等外部能源驱动，而部分被动响应型织物则依赖温度、湿度等环境刺激，其热调节能力容易受到外部环境条件限制。相比之下，人体运动本身就是一种持续存在的机械能来源。因此，如果能够直接利用人体运动产生的织物拉伸变形驱动服装结构发生改变，就有望在无需外部能源的情况下实现服装热传递性能的动态调节。

针对这一问题，本文设计了一种双层透气针织织物DSBF。该织物利用人体运动过程中产生的拉伸变形改变表面网孔结构：当人体运动时，织物被拉伸，网孔面积扩大并形成贯通孔，从而建立人体与外部环境之间更加直接的空气交换通道；当人体停止运动后，织物依靠弹性回复，网孔和贯通孔关闭，从而降低热量损失。该设计使人体机械运动与服装热管理过程实现直接耦合，为开发无需外部能源驱动的自适应热调节服装提供了新的思路。

图文导读：

图1 DSBF拉伸变形、网孔演化及透气性能

图1系统展示了DSBF在不同拉伸变形状态下的结构变化及透气性能。随着拉伸比例增加，织物表面网孔面积持续增大，由初始状态的5.81 mm²增加至40%拉伸状态下的13.39 mm²；同时，贯通孔逐渐形成，其面积在40%拉伸状态下达到3.01 mm²。结构变化使织物的空气交换能力显著增强。DSBF初始透气率为456.83 mm/s，约为相同厚度和克重对照织物的8倍；当拉伸至40%时，透气率进一步提高至1156.53 mm/s，约为对照织物的3倍。

此外，DSBF表现出良好的机械稳定性。经过10 000次、50%应变的循环拉伸后，织物残余变形小于5%，说明其能够承受服装实际穿着过程中反复发生的拉伸与回复。

图2 DSBF不同拉伸状态下的热传递实验与有限元模拟

为了进一步揭示织物结构变形对热传递性能的影响，研究人员基于COMSOL Multiphysics建立了DSBF二维热传递有限元模型。模型包含上部空气区域、织物多孔介质区域以及织物双层结构内部空气区域，并通过改变织物几何结构模拟不同拉伸状态下的热传递过程。

模拟结果表明，随着拉伸变形增加，DSBF的热传递能力逐渐增强。贯通孔形成后，织物上下表面的热传递效率由初始状态的85.7%提高至40%拉伸状态下的90.1%。同时，有限元模拟结果与实验数据具有较好的一致性，验证了模型用于预测不同拉伸状态下DSBF热传递性能的有效性。

图3 DSBF服装的热管理性能及人体穿着测试

在服装层面，研究人员将DSBF局部应用于运动服装，并与传统服装进行对比。热假人测试表明，DSBF服装能够根据不同状态改变热量传递方式。在静止状态下，织物主要通过降低对流和辐射热损失实现保温；在运动或正面气流作用下，织物网孔打开，空气对流显著增强，从而提高散热能力。无风条件下，DSBF服装的热阻达到0.143 (K·m²)/W；施加正面气流后，其热阻降低约0.05 (K·m²)/W，体现出明显的动态热调节能力。

进一步的人体穿着实验显示，基于DSBF设计的服装能够根据人体运动状态主动改变服装内部微环境。运动状态下，服装内表面温度降低约0.8°C；静止状态下，服装内表面温度提高约1.3°C，从而同时满足运动过程中的散热需求和休息状态下的保温需求。

结论：

在本研究中，研究人员通过双层织物结构设计开发了一种具有运动自适应动态热管理功能的DSBF，并系统研究了其力学变形、透气性能、热传递行为以及服装热调节性能。

（1） DSBF具有优异的可变形性和结构回复能力。经过10 000次、50%应变循环拉伸后，织物残余变形小于5%，能够满足实际服装反复运动变形的需求。

（2） DSBF能够通过人体运动驱动织物结构发生动态变化。随着拉伸变形增加，织物网孔面积逐渐扩大并形成贯通孔，使服装内部与外界建立更加直接的空气交换通道。

（3） DSBF具有优异的动态透气性能。初始透气率达到456.83 mm/s，拉伸至40%时提高至1156.53 mm/s；在更高的变形状态下，织物透气率可达到初始状态的300%，表现出显著的运动响应特性。

（4） 织物结构变化能够有效调控人体与外界之间的热传递。运动过程中，网孔开启增强对流和辐射散热；静止后网孔关闭，降低热量损失，实现动态保温与散热之间的转换。

（5） DSBF服装能够实现人体热环境的双向动态调节。人体运动时服装内表面温度降低约0.8°C，而静止时提高约1.3°C，体现出良好的运动自适应热管理能力。

总体而言，该研究提出了一种以人体运动机械能为驱动力、无需外部能源输入的动态热管理织物，为下一代智能运动服装、自适应热调节纺织品以及动态热湿管理系统提供了新的设计思路。该结构还具有拓展至户外装备、智能防护服及其他需要动态调节热湿传递性能的纺织产品中的潜力。

本文信息

Yunrui Shi, Qing Chen, Rong Zheng, Dahua Shou, Xin Xiao, Jintu Fan.
Double Layered Breathable Knitted Fabric With Human Motion Adaptive Function for the Dynamic Thermal Management.
Small, 2026, e75421.
DOI: 10.1002/smll.75421.

论文于2026年5月26日投稿，8月5日完成修订，8月11日接受。

通讯作者简介

陈晴，博士，副教授，博士生导师，东华大学旭日经济与管理学院上海国际时尚科创中心党支部书记。致力于针织产品设计应用基础研究，人工智能技术在针织产品设计中的应用，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，入选江苏省双创计划“科技副总”，主持企业横向项目20余项，发表论文50余篇，其中SCI论文22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。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。

邮箱：12071107@qq.com

肖鑫，副教授，博士生导师，东华大学新能源与暖通工程系副系主任，“新能源与储能技术”微专业负责人，在固液相变储能、柔性热湿管理方面进行了研究。主持了欧盟地平线玛丽居里项目、上海市科委项目、教育部/省重点实验室`基金项目、中船重工项目等，参与了国自然基金重点、科技部国际合作计划、航天科技基金等。出版英文专著1部，共发表科研论文120余篇，其中在Advanced Energy Materials、Advanced in Colloid and Interface Science、The Innovation Energy、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Applied Energy、Energy Conversion and Management、Energy、Renewable Energy、Small、International Journal of Heat and Mass Transfer等发表SCI论文80余篇，总他引4500+。先后获得日本学术振兴会海外特别研究员、欧盟玛丽居里学者、上海市浦江人才、上海市海外引进高层次人才、EBE学术新人提名奖、IChemE优秀青年科学家奖、云南省自然科学一等奖、中国商业联合会科技进步三等奖等荣誉，并于2023年~2025年连续入选“全球前2%顶尖科学家榜单”。以第一完成人荣获校级优秀教学成果二等奖，评为“教学之星”，指导本科生荣获全国能源动力类专业百篇优秀本科毕业论文，国家级比赛奖励12项。

邮箱: xin.xiao@dhu.edu.com

范金土，教授，博士生导师，香港理工大学时装与纺织学院李氏家族纺织科技讲座教授、纤维科学与服装工程讲座教授，理大（兴国）技术创新研究院院长，国际纺织学会荣誉院士（Hon. FTI，该学会终身最高荣誉），英国皇家艺术学会院士，国际Q1期刊《Textiles》主编。
先后任职于香港理工大学、美国康奈尔大学，曾任康奈尔大学纤维科学与服装设计系主任、康奈尔服装与纤维创新研究所创始所长，香港理工大学纺织及服装学系主任，2018年当选国际纤维学会主席。主要从事服装热湿舒适机理、人体服装环境相互作用、仿生响应纺织品、可穿戴健康纺织材料、特种防护纺织材料、纺织测试装备开发与多尺度模拟研究。标志性成果为研发全球首个织物出汗暖体假人Walter，实现服装热湿性能一体化测试；团队开发仿皮肤单向导湿功能织物，在Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Advanced Fiber Materials等发表SCI论文300余篇，出版专著4部，获中美多项发明专利。获得国际纺织学会华纳纪念奖章、美国纤维学会杰出成就奖、日内瓦国际发明展金奖、国际先进材料协会玛丽居里奖章。

邮箱: jin-tu.fan@polyu.edu.hk

第一作者简介

石云瑞，东华大学服装与艺术设计学院博士生，主要从事动态响应纺织材料、人体热舒适及智能服装热管理研究。

邮箱：10yunrui@sina.com

引用格式

Yunrui Shi, Qing Chen, Rong Zheng, Dahua Shou, Xin Xiao, Jintu Fan. Double Layered Breathable Knitted Fabric With Human Motion Adaptive Function for the Dynamic Thermal Management. Small, 2026, e75421. https://doi.org/10.1002/smll.75421