基于溫敏變色材料的防疫產品設計與趨勢研究

夏驕陽， 卜圓超

（1.上海禮卿文化傳播有限公司，上海 201101；2.中機生產力促進中心有限公司，北京 100044）

0 引言

中國在 《中國制造2025》、《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃綱要》 等國家級引領性文件中提出未來我國材料產業將重點發展智能材料、高端新材料。放眼全球，各國在智能材料方向的發展規劃目標不盡相同，美國重點發展新能源、 生物與醫藥方向； 歐盟重點發展催化劑、光學與電光方向；俄羅斯重點發展航空航天、能源與化工方向。 雖然發展重點領域各不相同， 但是智能材料作為全球“第四次工業革命（工業4.0）”的技術高地，各國不斷出臺相關政策支持智能材料的發展。

智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料，主要分為四大類：基體材料、敏感材料、驅動材料和其他功能材料。 而作為感知物理量（熱力）的微小變化，并能夠根據變化量呈現出明顯特征變化的溫敏變色材料， 在生活場景中應用最為廣泛，技術最為成熟。

1 溫敏變色材料的概述及特征

溫敏變色材料是指利用所處環境溫度的差異變化，達到物理特性（顏色）的改變，基本顏色包括：大紅、玫紅、金黃、拿坡里黃、草綠、墨綠、寶藍、深藍等。 第一個成功的商業應用始于20 世紀60 年代，美國的Corning 工作室的兩位材料學家Amistead 和Stooky 首先發現了含鹵化銀（AgX）玻璃的可逆光致變色性能。在隨后的時間內各國開發了大量包含聚合物、液晶、有機和無機在內的多種溫敏變色材料，具體分類見表1。

表1 溫敏變色材料分類和應用

2 溫感變色材料的發展趨勢及應用

新一代技術和材料應用步伐加快： 隨著應用產品要求的不斷提高，對于技術和材料的要求也越來越高，各種新型微膠囊技術、變色染料、顯色劑和溶劑的應用日益廣泛。新一代微膠囊技術的研發與應用，能夠有效將溫變粉的平均粒徑控制在為3±1μm，可作用于油墨、涂料、注塑等多個領域，也可依據客戶需求，定制有色變有色產品，溫度區間從18°-50°。推動溫敏變色材料向變色靈敏度且抗（熱）疲勞性強的方向發展。

專利分析：通過專利查詢可知，目前全球共有11961條智能材料有效專利。 溫敏變色材料產業領域的主要專利情況見圖1、圖2。

圖1 全球溫敏變色材料專利主要企業

圖2 全球溫敏變色材料專利主要國家申請趨勢

可見， 目前全球溫敏變色材料相關專利的申請國家主要有中國、美國、日本、土耳其等。 1994 年和2003 年中國首次在溫敏變色領域展開研究， 隨著我國相關技術的進步，2019 年，中國的溫敏變色材料專利申請數量首次突破達到50 例。

從圖3 可知， 目前溫敏變色產業的主要技術熱點集中于：①水凝膠、中性墨氣凝膠、隔熱保溫染料；②防紫外線， 粘合劑，乳液，光學，木材；③壁紙， 著色劑，層狀結構顯色劑； ④中空，紡絲， 調光，電纜， 零冷水；⑤檢 測 裝 置， 核酸， 樣品溶液，層析試紙等領域。主要應用領域集中于注塑行業、變色透明膜、包裝印刷、彩妝配飾、生活家居、服裝鞋帽等。

圖3 溫敏變色材料專利地圖

3 溫敏變色材料在防疫產品中的應用意義

“防疫”一詞可被理解為防控、阻絕、消滅傳染病毒的統稱， 我們常見的防疫措施可大致分成為日常性的防疫與疫情后的預防，其中涵蓋檢疫、普查、管控感染源，以及后續疫苗的接種等等防疫舉措。

目前的防疫產品，如醫用防護口罩、醫用防護服、醫用隔離面罩、急救包、護目鏡、一次性手套等等，其常見材料為：無紡布、非織造布、PVC、PE 等常規工業材料，能夠滿足疫情之下對于防疫物資產品基本的防護性、舒適性、安全性、以及優良的物理機械性能。

在疫情趨于常態化的當下， 防疫物資產品也逐漸成為了生活必需品， 對于防疫物資產品的需求也在隨之不斷細化。筆者認為，在未來智能材料如溫敏變色材料對防疫產品的介入與應用具備以下幾點優勢：

（1）溫敏變色材料在提高防疫效率上的可能性。溫敏變色材料可以在使用或穿著防疫產品的無意識狀態下對體溫進行感知，并根據溫度的變化量，相應地在材料表面呈現顯著的色彩變化，對于日常的體溫檢測，亦或是對患者體溫異常的粗篩與快速研判， 進而輔助提升防疫工作效率，在應用領域都具備極大的潛力。

（2）溫敏變色材料在防疫產品中的“軟性要素”需求。進入2022 年以來，隨著新冠肺炎病毒“奧密克戎”毒株的變異， 導致我國以上海為首的各大一線城市數以千萬計的居民，進入了長達數周乃至數月的靜態管理狀態。

在嚴峻的疫情防控措施下， 防疫產品設計則更需要滿足形式與功能的基礎上， 兼顧到隔離群體的心理特征與情感需求。 情感化設計的核心在于滿足消費者更深層次的情感和心理需求，設計目標為實現產品形態、操作包括產品特質的情感化。 當前傳統防疫產品的設計偏重功能導向，只關注產品與材料的機械性能等“硬性標準”，而缺少在用戶側對于顏色、產品外觀、使用方式等“軟性要素”考量，而溫敏變色材料所獨具的新穎的視覺效果、良好的交互性與趣味性， 以及對產品使用方式一定程度的簡化，可以在滿足防疫產品形式與功能的同時，兼顧用戶對防疫產品的情感趨向，以達成愉悅、輕松的情感反饋。在防疫產品中情感化要素的體現， 也將成為疫情常態化的大背景下，未來防疫產品設計優劣的衡量標準。

（3）智能材料在制造領域的應用語境創新探索。在新型材料的開發與其在設計領域的應用， 現行的實踐方法主要為：”以材料為主導的設計（Design for Materials）“與MADEC 研究中心提出的 “設計驅動式材料創新（DdMIM）”，兩者從供、需角度互為補充，而智能材料的革新所帶來的，對于新興應用語境的創新探索，從供、需兩側都成為接下來亟需探索的目標。

但我們仍需注意到的是， 智能材料由于其自身復雜的制造工藝與相較傳統工業材料較高的生產成本， 目前尚未被廣泛應用在商業生產當中。因此，本次研究以防疫產品的設計開發為例， 圍繞以溫敏變色材料為代表的智能材料的創新性應用，提供良好的便利性，為智能材料在日常生活語境下的下沉式應用提供借鑒。

4 溫敏變色材料在防疫產品設計中的應用思路

（1）防疫產品的功能性與體驗性目標。當下常見的測量方式為以額溫槍為主的紅外線體溫計， 因額溫極易受到例如環境溫度、濕度，甚至頭發、飾品此類遮擋物等因素的影響，導致溫度顯示出現較大波動，造成測量數據的偏差，從而無法及時準確地反映用戶的體溫異常情況。日本著名產品設計師深澤直人先生的“無意識設計”（Without Thought）理念中強調，產品設計應當深刻洞察并遵循用戶的行為習慣，降低設計的學習成本和行為成本，從而提高用戶的體驗性。 現行的測溫產品對于人們日常體溫的檢測行為手段過于冰冷與刻板，“測體溫” 這一行為逐漸成為日常生活中的一個必需組成部分， 但測體溫的動作、方法以及對相關產品設計仍舊需要大量學習、行為成本，與我們的日常習慣產生割裂。 因此，將防疫產品的功能性與體驗性同時納入考量維度， 將是今后防疫相關產品設計發展的趨勢之一。

（2）溫敏變色材料與防疫產品結合的應用構想。溫敏變色材料對溫度的高敏感度， 能夠迅速通過顏色改變實現對體溫信息的視覺化反饋的特性， 充分考量用戶的生理、心理需求，嘗試賦予測溫產品以更日常化、符合用戶行為習慣、降低學習、行為成本的設計形式，將溫敏變色材料應用于測量體溫的防疫產品當中。

5 溫敏變色材料在防疫產品設計中的應用實踐

此外， 溫敏變色材料所具備獨特的可變特性所帶來的交互潛能， 在設計實踐中可以完成對溫度信息的可視化傳遞，實現產品-人、人-產品-人之間的“信息流”傳遞。圖4 為筆者在2022 年的設計案例《！ 》中，將溫敏變色材料應用于腋溫測試的溫度計的設計。 在醫學上將腋溫≥37.5℃定義為發熱，因此將有機可逆類溫敏變色涂料的變色溫度定制在37.5℃， 用戶在測溫過程中將測溫端放置在腋下10s，若產品仍舊呈現白色或者淺紅色，則表示體溫正常，若產品測溫端呈現大紅色，則表示用戶體溫高于37.5℃，有發熱體征。 另外在手持端，設計有“37.5℃”與內含“！”字符的大紅色圓形圖標，意在通過發熱溫度與警示顏色的關聯性表示，對用戶的測試結果進行提示。溫度計的造形思路，在增大測溫端與手持端直徑，以便于用戶的操作中更容易抓握的基礎上， 沿用傳統水銀溫度計的整體尺寸、形態、使用方式，遵循大眾用戶對“測溫行為”的習慣性記憶，降低用戶對于產品形態的陌生感，進而帶來的在操作方法上伴隨的學習成本，使用戶能夠將關注點完全圍繞于對新型材料的感知，而這一點也與深澤直人先生的“無意識設計”（Without Thought）理念不謀而合。

圖4 應用案例展示

唐納德·諾曼曾在 《Emotional Design：Why We Love Everyday Things》一書中，提出將人的情感需求分為三個層次：本能層次、行為層次和反思層次，而情感化設計方法則需要設計者能夠從以上三個層面準確洞察并匹配用戶需求，在滿足對產品功能訴求的前提下，充分照顧用戶可能出現的情緒，即充分尊重用戶從對產品的第一印象，到使用過程的情緒反饋， 再到使用結束后對產品的反思評判。 將情感化設計的方法論介入到溫敏變色材料在防疫產品中的具體實踐應用中來，簡而言之，可歸納為通過對“信息流”的創新性、趣味化呈現，將用戶對防疫行為及相關產品的回避心理，轉化為對新型材料的使用情趣，以情感化設計理論為支撐， 為溫敏變色材料的設計思路和應用語境起到探索意義。

6 結束語

在工業4.0 時代的驅動下， 技術帶來的創新勢能極其可觀。 本文聚焦于溫敏變色材料的宏觀發展趨勢和微觀應用實例，基于該材料的可變屬性與交互潛能，探討其在防疫產品中對防疫效率、防疫產品用戶的情感化需求、以及在智能材料的新應用語境等側面的研究意義。此外，本次研究嘗試在材料驅動的產品革新中，納入“人”這一考量維度，為智能材料在產品設計語境下的實際應用提供新視角。 筆者認為，在產品設計中材料的革新不應脫離人的感知而獨立存在，因此，溫敏變色材料在未來的應用也應當逐步從滿足基本的功能需求導向，轉向兼顧用戶的心理需求導向， 而這種基于人本主義對情感化需求的洞察，也意味著我國從制造大國向制造強國的轉變的縮影。