科技讓北京冬奧不“冷場(chǎng)”

李曼

北京冬奧會(huì)備戰(zhàn)期間，在河北張家口市崇禮賽區(qū)，常常能見到幾位研究人員扛著一位“壯漢”行走在賽道邊的觀眾區(qū)域。這位“壯漢”源于一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的特別受試者——暖體假人。

“壯漢”可以代替真人受試者感受崇禮賽區(qū)的溫度，進(jìn)而形成詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)研發(fā)極寒環(huán)境下的“溫暖裝備”有著重要的意義。

冬奧會(huì)冷么？

回溯歷屆冬奧會(huì)的主辦地，氣溫-17℃～10℃是最理想的賽期溫度。由于地理位置與北京相近，平昌冬奧會(huì)上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得警醒。

2018年2月3日，韓國(guó)平昌冬奧會(huì)開幕式上，一些觀眾一度被凍跑。氣象記錄顯示，當(dāng)天平昌的氣溫為-14℃，由于風(fēng)力較大，體感溫度更是低至-20℃。在此之前，據(jù)韓國(guó)媒體報(bào)道，有2000余名平昌冬奧會(huì)的志愿者請(qǐng)求提前結(jié)束志愿工作，寒冷的工作條件就是志愿者“請(qǐng)退”的一大因素。

北京冬奧會(huì)對(duì)此早有準(zhǔn)備。鳥巢作為半開放場(chǎng)館，舉辦冬奧會(huì)的開、閉幕式，無疑面臨著嚴(yán)峻的低溫挑戰(zhàn)。在場(chǎng)館改建過程中，為實(shí)現(xiàn)溫控管理，“鳥巢”首次將石墨烯技術(shù)運(yùn)用在奧運(yùn)場(chǎng)館。坐在觀禮臺(tái)嘉賓區(qū)，只需輕觸沙發(fā)外側(cè)的控制按鍵，座椅就能實(shí)現(xiàn)47℃、37℃、30℃高、中、低三個(gè)發(fā)熱溫度的控制。而觀禮臺(tái)的地毯也同樣擁有溫暖“保護(hù)罩”，在石墨烯智能溫度控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，鳥巢體育場(chǎng)室溫即使在-5℃環(huán)境下，地毯的表面溫度也可高達(dá)20℃。北京冬奧會(huì)開幕式當(dāng)天最低氣溫-6℃，閉幕式當(dāng)天氣溫-2℃左右，雖然溫度都在零度以下，但身處在場(chǎng)館內(nèi)的觀眾卻絲毫不會(huì)覺得寒冷。

此外，面對(duì)各類極端天氣，北京冬奧組委會(huì)已經(jīng)從賽事組織、后勤保障、餐飲服務(wù)、氣象預(yù)報(bào)等多角度做好了準(zhǔn)備。

北京冬奧會(huì)最冷的現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)屬?gòu)埣铱诔缍Y賽區(qū)。為保證冬奧賽場(chǎng)邊的“溫暖”供給，清華大學(xué)建筑學(xué)院副教授曹彬團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了極寒環(huán)境下的“溫暖裝備”——智能加熱服和加熱坐墊。這些裝備可以在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)熱、鎖熱，確保觀眾擁有舒適溫暖的觀賽體驗(yàn)。

曹彬科研團(tuán)隊(duì)以往做的是人體熱舒適提升技術(shù)研究，從字面上看，這與冬奧賽場(chǎng)邊的“溫暖”供給好像不太相關(guān)。實(shí)際上，曹彬所在的建筑環(huán)境學(xué)科重點(diǎn)關(guān)注如何解決建筑環(huán)境營(yíng)造、如何提升人在環(huán)境中的舒適感等問題。對(duì)于記者的疑問，曹彬解釋道：“通常我們都是研究建筑內(nèi)的環(huán)境應(yīng)該如何營(yíng)造，但是，冬奧會(huì)很多雪上項(xiàng)目都是在露天開放式的場(chǎng)館舉辦，因此，許多傳統(tǒng)的有關(guān)室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造的基礎(chǔ)理論就不太適用了。我們需要根據(jù)冬奧會(huì)具體實(shí)際場(chǎng)景，針對(duì)人在極端低溫環(huán)境下的行為特點(diǎn)和舒適需求，尋求新的解決方案。”

人究竟有多冷？

縱觀歷屆冬奧會(huì)，最冷的室外環(huán)境大概在-10℃左右。以前很少有團(tuán)隊(duì)針對(duì)室外人體熱舒適提升技術(shù)進(jìn)行研究，可以說這是一個(gè)全新的研究方向，從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用實(shí)踐都沒有太多可以參考的資料。

要搞清楚人到底有多冷，僅憑感覺是不夠的，需要根據(jù)具體、客觀的參數(shù)進(jìn)行分析。自2018年開始，曹彬團(tuán)隊(duì)就開始進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集工作。冬天，他們來到賽場(chǎng)記錄環(huán)境參數(shù)，然后在低溫環(huán)境艙中模擬環(huán)境，并進(jìn)行受試者實(shí)驗(yàn)，通過溫度傳感器監(jiān)測(cè)人體多個(gè)部位暴露在低溫環(huán)境下不同時(shí)長(zhǎng)后的皮膚溫度，并與人的主觀感覺相結(jié)合，以此來定量評(píng)估“人會(huì)有多冷”。

為避免真人在寒冷條件下長(zhǎng)時(shí)間受試發(fā)生凍傷事故，曹彬團(tuán)隊(duì)便利用暖體假人來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。于是，就出現(xiàn)了文章開頭那滑稽的一幕。

這位“壯漢”實(shí)則是一個(gè)機(jī)器人，但看起來完全是真人形態(tài)，它身體每個(gè)部位都可以模擬真人產(chǎn)熱和散熱的過程。與此同時(shí)，研究者還可以通過后臺(tái)程序軟件，監(jiān)測(cè)“壯漢”在不同暴露時(shí)長(zhǎng)、不同厚度衣物下的體表溫度變化。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將暖體假人置身于不同的氣象條件下，通過分析假人各個(gè)部位的表面溫度和導(dǎo)出若干指標(biāo)，來判斷人的熱舒適狀況。

熱量需要補(bǔ)充多少？

對(duì)“冷”的概念進(jìn)行了充足的數(shù)據(jù)分析后，下一步就是要對(duì)人體所需的相應(yīng)熱量補(bǔ)給進(jìn)行量化。基于此，曹彬團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了“人體全身多點(diǎn)位加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上就是加熱服的初級(jí)形態(tài)，研究人員在幾個(gè)固定的部位設(shè)定了加熱點(diǎn)，同時(shí)可以在平板電腦上進(jìn)行操控和交互，受試者可以根據(jù)自己的感覺判斷來調(diào)節(jié)加熱點(diǎn)的溫度。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，曹彬團(tuán)隊(duì)總結(jié)出了人體在極冷環(huán)境下的補(bǔ)熱規(guī)律，知曉了人們更傾向于給身體哪些部位加熱，以及加熱到多少攝氏度才會(huì)達(dá)到較為舒適的狀態(tài)。

基于對(duì)人體熱舒適與人體所需補(bǔ)充熱量?jī)身?xiàng)數(shù)據(jù)的研究分析，曹彬團(tuán)隊(duì)制作出了可穿戴、便攜式的裝備，并采用智能加熱馬甲和加熱坐墊兩種裝備形態(tài)，在寒冷環(huán)境下能夠?qū)⑷梭w體感溫度提升10℃～15℃。

這兩種裝備的制作原理大致相同，都采用了柔性石墨烯發(fā)熱材料，通電后通過電熱效應(yīng)發(fā)熱;且材料本身是軟的，不會(huì)受折疊、擠壓等外力影響，也不會(huì)影響衣著的舒適感。在注重發(fā)熱的同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還考慮到了裝備的保溫性能。曹彬團(tuán)隊(duì)在坐墊底層與馬甲外層都添加了一層特殊的保溫材料，防止熱量流失。“坐墊上表面溫度能夠達(dá)到40℃以上，由于具備隔熱性能，如果你去摸坐墊的下表面，會(huì)發(fā)現(xiàn)是很涼的。”曹彬教授說。

為了方便操作，曹彬團(tuán)隊(duì)將智能控制系統(tǒng)開發(fā)成了一款手機(jī)應(yīng)用程序，這樣一來，人們?cè)谑謾C(jī)界面上直接設(shè)定溫度數(shù)字，就可以對(duì)身體各個(gè)加熱點(diǎn)的溫度進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，極大地滿足了用戶的個(gè)性化需求。

北京冬奧會(huì)期間，各地場(chǎng)館雖然都迎來了一場(chǎng)大雪，但這并沒有對(duì)冬奧賽事造成嚴(yán)重影響。北京冬奧會(huì)組委會(huì)早已全方位做足準(zhǔn)備，為冰雪賽場(chǎng)輸送“溫暖”，讓來自世界各地的冰雪健兒感受到了“中國(guó)溫度”。