华中科技大学陶光明教授团队受到北极海豹鼻甲骨生物特性的启发，首次提出并构建了异构形态结构面罩（MetaMask），在寒冷环境防护装备研发领域取得重要进展。

  11月21日相关研究成果以“A heterogeneous-structure facial mask for thermal and humidity regulation in cold environments”为题发表在《Nature Communications》上。

  尽管寒冷气候常常被全球变暖事件所掩盖，但由“北极暖冷大陆”模式驱动的北半球前所未有的寒流可能会成为对全球公共卫生的重大且被低估的威胁。在寒冷环境下，佩戴面罩是预防呼吸道疾病的关键手段之一，但其应用始终面临的核心挑战是：如何在保障充足氧气摄入的同时，维持面部微环境的热湿舒适性。此问题的关键在于，呼吸过程中产生的强制对流会显著破坏口罩与面部间的静态热湿平衡，降低面罩的热交换效率，导致传统面罩难以兼顾 “热湿调控”与“呼吸通畅”的需求。此前，研究人员尝试通过两种路径解决此问题，但均存在明显局限：①采用低导热、低中红外发射率的织物材料提升静态保温性能，但经纬编织的开放式孔隙织物结构难以抑制强制对流热损失（仅0.5 m/s气流即可导致织物微环境内30%以上热量流失）；②利用热湿交换器（HMEs）通过过滤材料吸收呼气余热和水分，但这类设备体积大、重量高、呼吸阻力大，且存在二氧化碳蓄积的“死腔”，无法满足长时间户外使用需求。

图1 MetaMask异构结构设计策略。

  团队通过“非对称辐射调控” 与 “冷凝-蒸发协同” 双策略，从结构设计层面打破“热湿调控与透气”固有矛盾。该面罩集成三大功能模块形成闭环热湿调控机制：

  1）通过非对称光热结构增强“捕获”人体红外辐射热量；

  2）依托间隔织物层内丰富的纤维-空气接触面强化热传递效率；

  3）借助交错分布的周期性孔隙结构，在保障呼吸通畅的同时延长气流滞留时间，为热交换创造充足条件。

  具体而言，呼气阶段，温暖潮湿气流流经织物层时，纤维快速吸收显热并通过冷凝收集水分；吸气阶段，外界寒冷干燥气流与预加热纤维表面接触，纤维同步释放储存热量与水分，完成对空气的加热与加湿（图1）。为系统验证MetaMask在寒冷环境下的实际应用性能，在-20℃条件下开展人体实验，从热湿调控、肺功能保护及摄氧保障三个核心维度量化评估其综合效能（图2）。在热调控性能方面，MetaMask在单呼吸周期内可实现82.1±0.7%的热回收与94.1±1.1%的水分回收，可将吸入空气温度提升至26.2±1.8℃（较商用面罩高115%），面部皮肤温度维持在27.6±1.4℃（较商用面罩高16%）。归因于MetaMask高效的水分回收特性导致其长期使用表面几乎无结霜，解决了传统面罩低温环境易结霜的问题。在肺功能保护方面，MetaMask可有效缓解运动性支气管收缩：佩戴MetaMask运动后的受试者1秒用力呼气量无明显下降。在摄氧情况方面，MetaMask能确保不同运动强度下的正常氧气摄入：在不同强度运动状态时受试者血氧饱和度始终维持在正常范围，而多层面罩因呼吸阻力高，在高强度运动10分钟后血氧饱和度显著降至89%，证明其在保障呼吸通畅与氧气摄入上的可靠性。此外，MetaMask 还具备多维度优势：紫外线防护系数远超传统商用面料，服役性能优异，且兼具自清洁能力，实现了防护性能、耐用性与使用舒适性的协同优化。

图2 低温环境人体运动实验。

  团队提出的MetaMask突破了寒冷环境下面罩“热湿调控与透气”的固有矛盾，为该场景面罩设计、应用及性能优化提供创新性技术思路。应用价值上，该技术已为相关国家战略任务提供技术支持，验证了极端低温下的性能可靠性。产业化层面，其无需特殊定制设备或高成本加工工艺，大幅降低技术转化门槛，为规模化生产奠定基础。未来，该设计理念可延伸至极地科考、寒冷地区户外救援等极端场景，为全球寒冷环境作业、运动及日常防护提供 全方位解决方案，对提升公共卫生防护水平、推动防护装备产业技术升级具有重要战略意义。

  华中科技大学陶光明教授（体育学院联合聘任教授）为论文通讯作者，华中科技大学体育学院为作者第一署名单位，体育学院曾洪涛教授、孙竞波教授、周霄副教授从分别从运动训练、运动表现和健康促进等个维度开展了相关实验，实验结果对MetaMask在运动健康领域的广泛应用提供了科学依据，这是华中科技大学体育学院首次在国际顶尖期刊《Nature》系列子刊上发表体工交叉服务运动健康论文，实现了中部地区体育学科顶刊“零的突破”。

  论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-025-66489-y