科技讓北京冬奧不“冷場”

李曼

北京冬奧會備戰期間，在河北張家口市崇禮賽區，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域。這位“壯漢”源于一項實驗中的特別受試者——暖體假人。

“壯漢”可以代替真人受試者感受崇禮賽區的溫度，進而形成詳實的實驗數據，對研發極寒環境下的“溫暖裝備”有著重要的意義。

冬奧會冷么？

回溯歷屆冬奧會的主辦地，氣溫-17℃～10℃是最理想的賽期溫度。由于地理位置與北京相近，平昌冬奧會上的經驗教訓值得警醒。

2018年2月3日，韓國平昌冬奧會開幕式上，一些觀眾一度被凍跑。氣象記錄顯示，當天平昌的氣溫為-14℃，由于風力較大，體感溫度更是低至-20℃。在此之前，據韓國媒體報道，有2000余名平昌冬奧會的志愿者請求提前結束志愿工作，寒冷的工作條件就是志愿者“請退”的一大因素。

北京冬奧會對此早有準備。鳥巢作為半開放場館，舉辦冬奧會的開、閉幕式，無疑面臨著嚴峻的低溫挑戰。在場館改建過程中，為實現溫控管理，“鳥巢”首次將石墨烯技術運用在奧運場館。坐在觀禮臺嘉賓區，只需輕觸沙發外側的控制按鍵，座椅就能實現47℃、37℃、30℃高、中、低三個發熱溫度的控制。而觀禮臺的地毯也同樣擁有溫暖“保護罩”，在石墨烯智能溫度控制系統驅動下，鳥巢體育場室溫即使在-5℃環境下，地毯的表面溫度也可高達20℃。北京冬奧會開幕式當天最低氣溫-6℃，閉幕式當天氣溫-2℃左右，雖然溫度都在零度以下，但身處在場館內的觀眾卻絲毫不會覺得寒冷。

此外，面對各類極端天氣，北京冬奧組委會已經從賽事組織、后勤保障、餐飲服務、氣象預報等多角度做好了準備。

北京冬奧會最冷的現場當屬張家口崇禮賽區。為保證冬奧賽場邊的“溫暖”供給，清華大學建筑學院副教授曹彬團隊成功研發出了極寒環境下的“溫暖裝備”——智能加熱服和加熱坐墊。這些裝備可以在短時間內迅速發熱、鎖熱，確保觀眾擁有舒適溫暖的觀賽體驗。

曹彬科研團隊以往做的是人體熱舒適提升技術研究，從字面上看，這與冬奧賽場邊的“溫暖”供給好像不太相關。實際上，曹彬所在的建筑環境學科重點關注如何解決建筑環境營造、如何提升人在環境中的舒適感等問題。對于記者的疑問，曹彬解釋道：“通常我們都是研究建筑內的環境應該如何營造，但是，冬奧會很多雪上項目都是在露天開放式的場館舉辦，因此，許多傳統的有關室內環境營造的基礎理論就不太適用了。我們需要根據冬奧會具體實際場景，針對人在極端低溫環境下的行為特點和舒適需求，尋求新的解決方案。”

人究竟有多冷？

縱觀歷屆冬奧會，最冷的室外環境大概在-10℃左右。以前很少有團隊針對室外人體熱舒適提升技術進行研究，可以說這是一個全新的研究方向，從基礎理論到應用實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，需要根據具體、客觀的參數進行分析。自2018年開始，曹彬團隊就開始進行大量的數據收集工作。冬天，他們來到賽場記錄環境參數，然后在低溫環境艙中模擬環境，并進行受試者實驗，通過溫度傳感器監測人體多個部位暴露在低溫環境下不同時長后的皮膚溫度，并與人的主觀感覺相結合，以此來定量評估“人會有多冷”。

為避免真人在寒冷條件下長時間受試發生凍傷事故，曹彬團隊便利用暖體假人來進行數據采集。于是，就出現了文章開頭那滑稽的一幕。

這位“壯漢”實則是一個機器人，但看起來完全是真人形態，它身體每個部位都可以模擬真人產熱和散熱的過程。與此同時，研究者還可以通過后臺程序軟件，監測“壯漢”在不同暴露時長、不同厚度衣物下的體表溫度變化。研發團隊將暖體假人置身于不同的氣象條件下，通過分析假人各個部位的表面溫度和導出若干指標，來判斷人的熱舒適狀況。

熱量需要補充多少？

對“冷”的概念進行了充足的數據分析后，下一步就是要對人體所需的相應熱量補給進行量化。基于此，曹彬團隊開發出了“人體全身多點位加熱實驗系統”。這個系統實際上就是加熱服的初級形態，研究人員在幾個固定的部位設定了加熱點，同時可以在平板電腦上進行操控和交互，受試者可以根據自己的感覺判斷來調節加熱點的溫度。經過反復的實驗，曹彬團隊總結出了人體在極冷環境下的補熱規律，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達到較為舒適的狀態。

基于對人體熱舒適與人體所需補充熱量兩項數據的研究分析，曹彬團隊制作出了可穿戴、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，在寒冷環境下能夠將人體體感溫度提升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熱材料，通電后通過電熱效應發熱;且材料本身是軟的，不會受折疊、擠壓等外力影響，也不會影響衣著的舒適感。在注重發熱的同時，研發團隊還考慮到了裝備的保溫性能。曹彬團隊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到40℃以上，由于具備隔熱性能，如果你去摸坐墊的下表面，會發現是很涼的。”曹彬教授說。

為了方便操作，曹彬團隊將智能控制系統開發成了一款手機應用程序，這樣一來，人們在手機界面上直接設定溫度數字，就可以對身體各個加熱點的溫度進行自由調節，極大地滿足了用戶的個性化需求。

北京冬奧會期間，各地場館雖然都迎來了一場大雪，但這并沒有對冬奧賽事造成嚴重影響。北京冬奧會組委會早已全方位做足準備，為冰雪賽場輸送“溫暖”，讓來自世界各地的冰雪健兒感受到了“中國溫度”。