人体与环境的四种热交换途径中，辐射在静态或轻度活动时最为关键（图1b）。将人体皮肤-纺织品微系统视为整体，其净热功率取决于天空与地面视角因子、太阳辐照、传导对流及纺织品自身发射。与主要面向天空的屋顶辐射冷却材料不同，可穿戴纺织品同时与天空和周围地面物体交互（图1c）。站立者所穿纺织品大多垂直取向，超过50%的视角因子被建筑和地面占据。在城市场景中，随着建筑仰角和方位角增大，地面视角因子变大、天空视角因子减小（图1e），这对辐射冷却设计提出了更复杂的要求。热调节纺织品主要在三个光谱区间工作：太阳光谱（0.28–2.5 μm）、（ATW，8–13 μm）以及非ATW中红外区域（2.5–8 μm、13–20 μm）。基于这些光谱区间，文章将理想化材料分为五类（图1f）：I型（太阳反射、中红外宽带发射）、II型（太阳反射、中红外选择性发射）、III型（太阳与红外全反射）、IV型（中红外透明）和V型（太阳吸收、中红外反射）。计算表明，没有单一光谱设计在所有条件下普遍最优，特别是在动态变化的热环境中（图1g）：阴天条件下I型冷却性能最强，中等辐照下II型效率最高，极端太阳暴露下III型最为有效；而V型材料在加热场景中表现最佳，且加热功率随太阳强度增强而增加。
材料的光学特性根植于多尺度结构（图2）。在分子层面（图2a），电子能带结构决定太阳吸收，极性介电晶格振动和特定化学键的振动模式主导中红外响应，而原子极化率、自由载流子密度、氢键等二级相互作用以及结构互变共同影响全光谱响应。微观层面的相结构、结晶度、分子取向和纳米原纤网络决定光谱强度与各向异性（图2b），例如尼龙6的γ相结构可显著提高红外透射率。介观层面的多孔结构、组成异质性和表面微结构通过米氏散射等机制增强太阳反射，同时保持中红外发射（图2c）。宏观层面的纤维、纱线、织物架构以及剪纸和多层结构则决定可穿戴性、人体贴合性和整体光学响应（图2d）。这种层级耦合表明，光谱工程材料的设计需要从分子筛选到设备级工程的自下而上策略。
涂层nanoPE纺织品是典型例子（图3d），但其可穿戴性和规模化制造仍是瓶颈（图3e）。、机械响应型和湿度响应型四种机制各有优劣（图4）。热致变色材料可实现被动自适应调节且调制幅度较大，但转变温度固定、环境依赖性强（图4a）；电致变色材料提供最精确和可逆的调控，但调制范围小、依赖外部电源且系统复杂（图4b）；机械响应型材料响应快速，但宏观变形可能影响舒适性和美观（图4c）；湿度响应型材料与纺织架构兼容性好，但依赖汗液或环境湿度触发（图4d）。不同机制可实现的光学参数调制范围差异显著（图4e）。总体而言，动态调谐材料仍处于早期开发阶段，如何在保持高光谱选择性的同时实现有效可逆调谐，是未来研究的核心挑战。展望未来，光谱工程热调节纺织品的发展需要在材料创新、光谱与热工程以及制造三个维度协同推进（图5a）。材料方面，应最大化单位质量散射效率，开发可加工的聚合物基中红外反射器，并通过合理分子设计实现大幅度、可逆、稳定的发射率调制。光谱与热工程方面，应设计多模式热工程协同，结合辐射、蒸发、对流和传导，同时建立更贴近实际穿着条件的标准化评估协议。制造方面，应采用自下而上的纤维、纱线和织物架构策略，发展连续湿法纺丝、熔融纺丝等可扩展技术，并推动单材料热调节结构以简化回收、提升可持续性。最终，这些进展有望催生集生理传感、能量收集与转换和自适应热调节于一体的自主可穿戴系统（图5b），为人类提供可持续、自适应和个性化的热舒适。
图5 | 光谱工程热调节纺织品的关键挑战和前景。 a，通过材料创新、光谱和热工程以及应对制造挑战，迈向实用可穿戴热调节系统的未来方向。b，未来自主可穿戴系统的愿景，具有集成多功能能力，包括驱动自适应热调节的生理传感、体上能量生成和利用，以及用于个性化热管理的自适应人机界面。