在北极“暖北极冷大陆”气候模式引发的寒潮威胁下，全球公共卫生正面临严峻挑战。寒冷天气不仅导致呼吸道感染病例激增，还会引发心脑血管疾病，并造成人体代谢热量的大量流失。尽管口罩和围巾已成为常见的面部保暖工具，但传统材料因其高导热性、开放孔结构导致的强制对流散热、呼吸阻力大以及结霜等问题，难以在寒冷环境中维持舒适的面部微环境。现有热湿交换器又因体积大、阻力高、效率有限等缺陷限制其户外使用。如何在保证充足氧气供应的同时，有效减少热量和水分流失，成为可穿戴设备领域长期存在的难题。

近日，华中科技大学陶光明教授课题组提出了一种名为“MetaMask”的异质结构面罩，通过非对称辐射控制与冷凝-蒸发协同策略，成功实现了在寒冷环境中高效回收呼出气体中的热量与水分。该面罩能够回收82.1%±0.7%的热量和94.1%±1.1%的水分，在-20°C环境下可将吸入空气加热至26.2°C，并维持充足的氧气摄入。此外，该设计还具备优异的防霜和紫外线防护功能，为极端寒冷条件下的面部防护提供了创新解决方案。

相关论文以“A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments”为题，发表在Nature Communications。

MetaMask的设计灵感来源于北极海豹鼻腔的迷宫式结构，其异质结构包含四个功能组件：内层高发射率织物、外层低发射率银涂层织物、中间间隔织物以及PU薄膜。这种结构不仅通过垂直排列的纤维提供了大量纤维-空气接触界面，还通过内外层非对称发射率设计，有效捕获人体辐射热并减少向外散热。图1展示了MetaMask的整体设计及其在呼气和吸气过程中的空气加热机制：呼气时，湿热空气与间隔纤维接触并冷凝放热;吸气时，冷空气流经预热的纤维被迅速加热。

图1. MetaMask的设计

图2进一步揭示了MetaMask的热管理机制与材料选择。外层银涂层织物具有低中红外发射率，内层棉织物则高效吸收人体辐射热。间隔层选用高导热、高比热容的聚酯纤维，促进快速热交换与水分冷凝。扫描电镜图像清晰显示了其分层结构，而有限元模拟则直观呈现了呼气与吸气过程中面罩内部的温度分布与气流速度变化。实验证明，MetaMask在静态与动态吸气条件下均能维持显著的内部温差，其内部温度稳定时间较商业口罩延长了2000%，展现出卓越的加热性能与热稳定性。

图2. MetaMask的热管理机制

图3集中展示了MetaMask的各项特性。通过精确调控内外层孔径，实现了热舒适性与呼吸阻力之间的最佳平衡。该面罩的紫外线防护系数高达52951，远超传统织物与商业口罩;其力学强度、耐磨性、疏水性及空气阻力均表现优异，综合性能显著。

图3. MetaMask的特性表征

图4阐释了MetaMask的被动湿热回收与防霜机制。PU膜有效阻隔水蒸气，间隔纤维则在呼气时冷凝水分，吸气时促进蒸发，从而实现高效湿气回收。在-20°C环境中，MetaMask表面几乎无霜形成，而商业口罩则随时间推移结霜严重，验证了其卓越的防霜能力。

图4. MetaMask的被动湿热回收与防霜性能

图5的用户研究结果证实了MetaMask的实际效能。在-20°C环境中运动时，佩戴MetaMask的受试者吸入空气与面部皮肤温度显著高于商业口罩组，且能有效防止运动后肺功能下降，血氧饱和度保持稳定。与之相比，佩戴多层口罩者则出现血氧下降，且呼吸阻力大增。这表明MetaMask在极寒环境下不仅能提供优异的温热保湿效果，还能保障运动时的呼吸顺畅与氧供。

图5. MetaMask的用户研究

综上所述，MetaMask通过其创新的异质结构和材料选择，成功解决了现有可穿戴设备在热湿交换效率上的瓶颈，实现了在极寒环境下高效、自适应的面部微环境调控。这款面罩不仅具备优异的佩戴舒适性、防霜及紫外线防护功能，其基于常见纺织材料的制造工艺也预示着大规模生产的可行性。该研究为寒冷环境下的个人防护装备设计提供了全新范式，有望在极地考察、冬季运动及日常防寒中发挥重要作用。