科技让北京冬奥不“冷场”

李曼

北京冬奥会备战期间，在河北张家口市崇礼赛区，常常能见到几位研究人员扛着一位“壮汉”行走在赛道边的观众区域。这位“壮汉”源于一项实验中的特别受试者——暖体假人。

“壮汉”可以代替真人受试者感受崇礼赛区的温度，进而形成详实的实验数据，对研发极寒环境下的“温暖装备”有着重要的意义。

冬奥会冷么？

回溯历届冬奥会的主办地，气温-17℃～10℃是最理想的赛期温度。由于地理位置与北京相近，平昌冬奥会上的经验教训值得警醒。

2018年2月3日，韩国平昌冬奥会开幕式上，一些观众一度被冻跑。气象记录显示，当天平昌的气温为-14℃，由于风力较大，体感温度更是低至-20℃。在此之前，据韩国媒体报道，有2000余名平昌冬奥会的志愿者请求提前结束志愿工作，寒冷的工作条件就是志愿者“请退”的一大因素。

北京冬奥会对此早有准备。鸟巢作为半开放场馆，举办冬奥会的开、闭幕式，无疑面临着严峻的低温挑战。在场馆改建过程中，为实现温控管理，“鸟巢”首次将石墨烯技术运用在奥运场馆。坐在观礼台嘉宾区，只需轻触沙发外侧的控制按键，座椅就能实现47℃、37℃、30℃高、中、低三个发热温度的控制。而观礼台的地毯也同样拥有温暖“保护罩”，在石墨烯智能温度控制系统驱动下，鸟巢体育场室温即使在-5℃环境下，地毯的表面温度也可高达20℃。北京冬奥会开幕式当天最低气温-6℃，闭幕式当天气温-2℃左右，虽然温度都在零度以下，但身处在场馆内的观众却丝毫不会觉得寒冷。

此外，面对各类极端天气，北京冬奥组委会已经从赛事组织、后勤保障、餐饮服务、气象预报等多角度做好了准备。

北京冬奥会最冷的现场当属张家口崇礼赛区。为保证冬奥赛场边的“温暖”供给，清华大学建筑学院副教授曹彬团队成功研发出了极寒环境下的“温暖装备”——智能加热服和加热坐垫。这些装备可以在短时间内迅速发热、锁热，确保观众拥有舒适温暖的观赛体验。

曹彬科研团队以往做的是人体热舒适提升技术研究，从字面上看，这与冬奥赛场边的“温暖”供给好像不太相关。实际上，曹彬所在的建筑环境学科重点关注如何解决建筑环境营造、如何提升人在环境中的舒适感等问题。对于记者的疑问，曹彬解释道：“通常我们都是研究建筑内的环境应该如何营造，但是，冬奥会很多雪上项目都是在露天开放式的场馆举办，因此，许多传统的有关室内环境营造的基础理论就不太适用了。我们需要根据冬奥会具体实际场景，针对人在极端低温环境下的行为特点和舒适需求，寻求新的解决方案。”

人究竟有多冷？

纵观历届冬奥会，最冷的室外环境大概在-10℃左右。以前很少有团队针对室外人体热舒适提升技术进行研究，可以说这是一个全新的研究方向，从基础理论到应用实践都没有太多可以参考的资料。

要搞清楚人到底有多冷，仅凭感觉是不够的，需要根据具体、客观的参数进行分析。自2018年开始，曹彬团队就开始进行大量的数据收集工作。冬天，他们来到赛场记录环境参数，然后在低温环境舱中模拟环境，并进行受试者实验，通过温度传感器监测人体多个部位暴露在低温环境下不同时长后的皮肤温度，并与人的主观感觉相结合，以此来定量评估“人会有多冷”。

为避免真人在寒冷条件下长时间受试发生冻伤事故，曹彬团队便利用暖体假人来进行数据采集。于是，就出现了文章开头那滑稽的一幕。

这位“壮汉”实则是一个机器人，但看起来完全是真人形态，它身体每个部位都可以模拟真人产热和散热的过程。与此同时，研究者还可以通过后台程序软件，监测“壮汉”在不同暴露时长、不同厚度衣物下的体表温度变化。研发团队将暖体假人置身于不同的气象条件下，通过分析假人各个部位的表面温度和导出若干指标，来判断人的热舒适状况。

热量需要补充多少？

对“冷”的概念进行了充足的数据分析后，下一步就是要对人体所需的相应热量补给进行量化。基于此，曹彬團队开发出了“人体全身多点位加热实验系统”。这个系统实际上就是加热服的初级形态，研究人员在几个固定的部位设定了加热点，同时可以在平板电脑上进行操控和交互，受试者可以根据自己的感觉判断来调节加热点的温度。经过反复的实验，曹彬团队总结出了人体在极冷环境下的补热规律，知晓了人们更倾向于给身体哪些部位加热，以及加热到多少摄氏度才会达到较为舒适的状态。

基于对人体热舒适与人体所需补充热量两项数据的研究分析，曹彬团队制作出了可穿戴、便携式的装备，并采用智能加热马甲和加热坐垫两种装备形态，在寒冷环境下能够将人体体感温度提升10℃～15℃。

这两种装备的制作原理大致相同，都采用了柔性石墨烯发热材料，通电后通过电热效应发热;且材料本身是软的，不会受折叠、挤压等外力影响，也不会影响衣着的舒适感。在注重发热的同时，研发团队还考虑到了装备的保温性能。曹彬团队在坐垫底层与马甲外层都添加了一层特殊的保温材料，防止热量流失。“坐垫上表面温度能够达到40℃以上，由于具备隔热性能，如果你去摸坐垫的下表面，会发现是很凉的。”曹彬教授说。

为了方便操作，曹彬团队将智能控制系统开发成了一款手机应用程序，这样一来，人们在手机界面上直接设定温度数字，就可以对身体各个加热点的温度进行自由调节，极大地满足了用户的个性化需求。

北京冬奥会期间，各地场馆虽然都迎来了一场大雪，但这并没有对冬奥赛事造成严重影响。北京冬奥会组委会早已全方位做足准备，为冰雪赛场输送“温暖”，让来自世界各地的冰雪健儿感受到了“中国温度”。