作為人體與環境之間的媒介，衣物為人們提供防寒、防暑、防雨、防風等多重保護，在人體與環境之間的熱交換和水分交換過程中起著重要作用。仿生學涉及眾多研究及應用領域，近幾十年來，隨著仿生技術的發展，結合仿生學與紡織技術開發新型紡織品一直備受關注。保暖御寒是冬季服裝開發的重要性能之一，利用仿生原理模擬生物功能和結構的關系被認為是一種具有較好前景的設計溫控纖維和織物的方法。

  生活在極地世界的北極熊是最不怕冷的動物之一，原因是北極熊自帶一身最抗寒的“皮草”。用掃描電鏡對單根北極熊毛徑向斷面和軸向斷面進行觀察，發現單根北極熊毛具有核殼結構，核層多孔，殼層質密，這種結構可以有效鎖住空氣，實現保溫。

  受北極熊毛發隔熱性能的啟發，研究者使用絲素、殼聚糖溶液紡絲，結合定向冷凍冰模板技術，開發出具有中空層狀泡沫結構、孔隙率約87%的隔熱纖維并編織成織物。當纖維內徑為20～30μm時，由于孔徑與氣體分子的平均自由程相同，因而可以更好地捕獲空氣。高孔隙率降低了纖維的熱傳導，并且微孔中捕獲了空氣，限制了纖維的熱對流，很大程度上減少了人體的能量損失，起到保暖作用。

  北極熊毛除具有多孔的微觀結構，其表面還具有一定的疏水性。有研究者同樣采用絲素和殼聚糖溶液，經定向冷凍冰模板溶液紡絲法制備了一種超疏水多孔纖維并將其制成多孔織物，該織物具有多層次多孔結構，在空氣和水環境中均具有優異的隔熱能力。

受企鵝羽毛啟發的多層次中空保暖纖維

  企鵝能夠在寒冷的南極生存并一代代繁殖，除了自身脂肪的保暖作用外，它們的羽毛功不可沒。研究發現，企鵝羽毛有多級結構，主要包括羽軸、羽枝、小羽枝、倒鉤。企鵝羽毛表面粗糙且具有疏水憎冰性，多層級結構可有效捕捉空氣，以實現更好的隔熱效果。假設羽毛及其相關后羽均勻分布，使用標準理論模擬計算企鵝羽毛傳熱情況，結果表明，該理論預測導熱系數為2.38 W/（m²·K），高于經驗測量值1.93 W/（m²·K），企鵝的羽毛不發生對流，并且輻射熱損失最小。通過對比企鵝羽毛和北極熊毛發現，企鵝羽毛的羽軸和羽枝內部也是多孔結構，這種多孔結構進一步提高了其保溫隔熱能力。

  為了使織物實現良好的隔熱性能，一種方法是通過中空纖維捕獲大量空氣以增加熱阻，另一種是模仿羽絨纖維的自然特性，開發具有特殊橫截面形狀的異形纖維織物。研究人員用熔融紡絲法制備了“C形”中空纖維，紡絲過程表明，出口膨脹是影響纖維結構的重要因素，可以通過降低溫度、減小毛細管長度、提高剪切速率等方法降低出口膨脹效應?？偟膩碚f，織物的溫控性能與其微觀特征（如化學成分、細度、橫截面形狀、形態）、介觀特征（如紗線性能）、宏觀特征（如織物設計、結構、后整理工藝）等均相關。通過改變紡織品的結構參數，如纖維橫截面形狀、纖維細度、織物組織結構等方式，可以改變紡織品的隔熱性。

更多內容，請關注本刊2022年第5期《仿生智能溫控纖維及織物的研究進展》一文。