“雪上項目比賽場地多在山區，環境溫度可能會達到零下10攝氏度以下……”觀衆在極寒條件下如何溫暖觀賽？從業人員、觀衆如何避免凍傷、得到“溫暖保障”？
為解決這一問題，清華大學建築學院副教授曹彬團隊參與了國家“十三五”重點研發計劃“科技冬奧”重點專項“人工剖面賽道類場館新型建造、維護與營運技術”項目，研發出了極寒環境下的“溫暖裝備”——智能加熱服和加熱坐墊，可以在短時間内迅速發熱、鎖熱，確定觀衆擁有舒适溫暖的觀賽體驗。
記者了解到，聚焦人的需求、感受，收集相關資料來輔助設計，在整個大建築領域内是比較新的理念。曹彬稱，根據賽事及場館需求，希望該項研究成果未來酌情在部分區域實作應用。
極限低溫環境為研究帶來新挑戰
曹彬所在的專業是建築學院的建築環境學科，關注如何解決建築環境營造、提升人在環境中的舒适感等問題。
“之前都是研究建築内、室内場景的環境如何營造，而雪上運動場館是露天、開放式的，此前針對室内空間的傳統方法和技術就不适用；且露天賽場環境比較極端，對于極端環境下人的生理資料，前期可借鑒的研究成果很少。”曹彬稱，對研究團隊來說，由于應用場景和對象都是新的，可以說進入了一個新的研究領域，這也是此項研究最大的難點。
研究團隊在現場研究測試。受訪者供圖
曹彬告訴記者，此項研究首先面對的問題是，要清楚在零下十幾攝氏度的低溫環境下待上一兩個小時，人究竟會有多冷。
對于科學研究來說，僅有人的直覺感受是不夠的，而是需要具體、客觀的參數。是以，曹彬團隊在冬天到賽場記錄環境參數，然後在低溫環境艙中模拟環境，并進行受試者實驗，通過溫度傳感器，監測人身體上多個部位暴露在低溫環境下不同時長後的皮膚溫度，以此來評估“人會有多冷”。
除真人受試者實驗，曹彬團隊還利用“暖體假人”裝置來收集資料。據悉，這個“假人”是機器人，但看起來完全是真人形态，它身體每個部位都可以模拟真人産熱和散熱的情況，同時可以通過背景程式軟體，監測不同暴露時長、不同厚度衣物下，假人表面溫度變化。
研究團隊使用暖體假人開展低溫環境現場實驗。受訪者供圖
研發實驗系統收集人體資料
知道人有多冷後，接下來就要給人補充熱量。
曹彬解釋稱，由于在開放環境下，熱量會不停散發，無法采用在封閉空間内進行取暖和保暖的正常方法。是以，這項研究從理論到解決方案，都沿着一個思路——從人的個體尺度上去考慮問題，要把所有熱量都給到人。
那麼，極端低溫環境下人需要多少熱量，以及應該給人的哪些部位補充熱量才最為有效和舒适？曹彬告訴記者，這需要研究人的身體各個部位在寒冷環境下加熱的敏感性來得出答案。
為解決這一問題，曹彬團隊開發出了一個“人體全身多點位加熱實驗系統”，由一套“加熱服”和背景程式構成。“加熱服”看起來是一套薄薄的貼身衣服，各個部位設定有加熱片，同時可以在平闆電腦上進行操控和互動。
受試者穿上“加熱服”之後，程式界面可以看到并選擇不同部位、設定不同的加熱溫度。“比如，想給腹部加熱到35℃，或是給腿部加熱到37度，都可以在程式界面進行設定，繼而加熱服會按照程式的設定進行加熱。”曹彬表示。
通過進行一定數量的真人受試者實驗，曹彬團隊總結出規律，找到了在長時間低溫環境下，人們普遍會傾向于給身體哪些部位進行加熱，以及加熱到多少攝氏度會達到較為舒适的狀态。
智能馬甲、坐墊給人高效補充熱量
前期研究完畢，最後一步是依據理論資料把加熱裝置做成實物。沿着“個體尺度”思路，曹彬團隊最終決定，采用可穿戴方式來實作這一措施落地。
經過反複推敲，團隊最終研發出了兩種裝備形态——一種是便攜式的加熱坐墊，另一種是可穿戴在身上的智能加熱馬甲。
團隊研發的智能加熱保暖裝備。受訪者供圖
這兩種裝備的原理相近，都采用了柔性石墨烯發熱材料，通過其電熱效應，通電後可以起效發熱；且材料本身是軟的，人坐在上面産生形變也沒有關系。
“如果不考慮保溫，熱量很快就散掉了。”在開放環境下，除了加熱，保溫也非常重要。在保溫性能上，曹彬團隊采用了輕薄的保溫材料疊加态，置于坐墊底層和馬甲外層，來阻斷熱量向下、向外散發，保證熱量集中、高效地傳遞給人。“坐墊上表面溫度能夠達到40攝氏度以上，同時由于具備隔熱性能，如果去摸它的下表面，會發現是很涼的。”曹彬稱。
關于可穿戴加熱裝備，之是以做成馬甲形态而不是外衣，曹彬解釋稱，馬甲比較靈活且貼身，便于大家搭配自己的外套，也更有利于熱量的有效利用。同時，給這件馬甲也配了手機端小程式，使用者可以自行進行互動操作，通過簡明的示意圖選擇加熱部位、調整溫度。
除力争服務冬奧外，這些研究成果還能如何應用？對此，曹彬告訴記者，随着冰雪運動在國内普及發展，會有越來越多賽事和參與者，對于加熱保暖方案的需求也會随之增加；此外，戶外極端低溫環境下、惡劣自然條件下工作的場景也非常多，也希望這些研究成果能繼續推廣。
新京報記者 馮琪 校對 劉軍