“แจ็คเก็ตที่ 'บางลง' เมื่อคุณเหงื่อออก”: เซลลูโลสจากแบคทีเรียช่วยให้เสื้อผ้าควบคุมความร้อนได้เอง

Science Advancesอธิบายถึงผ้าอุ่น “อัจฉริยะ” ที่ไส้ทำจากเซลลูโลสแบคทีเรียธรรมชาติ ซึ่งตอบสนองต่อเหงื่อ เมื่อผ้ามีความชื้นรอบตัว ผ้าจะบางลงโดยอัตโนมัติ และเมื่อแห้ง ผ้าจะ “พองตัว” อีกครั้งและกักเก็บความร้อนไว้ ในต้นแบบ ความหนาเปลี่ยนจากประมาณ 13 มม. (เมื่อแห้ง) เป็น 2 มม. (เมื่อชื้น) โดยแนวคิดหลักคือการยืดระยะเวลาของความสบายทางความร้อนโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่

พื้นหลัง

คุณเคยลองอะไรมาก่อน:

1. วัสดุเปลี่ยนสถานะ (PCM) ในไมโครแคปซูลจะ “กลืน” ความร้อนในระหว่างการหลอมละลายและปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึก แต่ทำงานในช่วงอุณหภูมิที่แคบและตอบสนองได้ไม่ดีต่อการขับเหงื่อจริง
2. ผ้าที่สะท้อนแสงที่ทำจากโพลีเอทิลีนนาโนพรุน (nanoPE) ช่วยให้รังสีความร้อนอินฟราเรดของร่างกายผ่านเข้าไปได้ ทำให้เกิด "การระบายความร้อนด้วยรังสี" แบบพาสซีฟ แต่โดยพื้นฐานแล้ว รังสีอินฟราเรดเป็นเพียงช่องทางในการระบายออกเท่านั้น ไม่ใช่ "การควบคุมอุณหภูมิ" ของตัวเองในระหว่างที่ออกกำลังกาย
3. ตัวกระตุ้นความชื้น/ผ้าไฮโกรมอร์ฟิกจะเปลี่ยนรูปร่าง/รูพรุนเมื่อความชื้นเพิ่มขึ้น ทำให้ "โซนสบาย" ขยายออกโดยไม่ต้องใช้สาย ซึ่งแนวทางดังกล่าวมีแนวโน้มเติบโตอย่างรวดเร็ว

• ปัญหาที่ผ้า “อัจฉริยะ” ช่วยแก้ไขได้ความสบายทางความร้อนของเสื้อผ้าจะลดลงเมื่อกิจกรรมเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น ร้อนเกินไปและมีเหงื่อออกระหว่างการออกกำลังกาย ภาวะอุณหภูมิร่างกายต่ำกว่าปกติเนื่องจากชั้นความชื้นเมื่อหยุด ดังนั้น สิ่งทอที่ปรับอุณหภูมิได้จึงได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งปรับการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน บทวิจารณ์เน้นย้ำถึงปัจจัยสำคัญ นั่นคือ การจัดการความร้อนและความชื้นแบบไดนามิกที่ระดับชั้นเส้นใย/ผ้า
• ทำไมความชื้น/เหงื่อจึงเป็น "ตัวกระตุ้น" ที่ดีที่สุดเหงื่อเป็นตัวบ่งชี้ความร้อนสูงเกินไปอย่างรวดเร็ว: ทันทีที่ความชื้นเพิ่มขึ้น ระบบจำเป็นต้องลดความต้านทานความร้อน (ลด "การพองตัว" หรือช่องอากาศ) และเพิ่มการระเหย เมื่อความชื้นแห้งแล้ว ให้คืนสภาพฉนวน ดังนั้นจึงมีแนวคิดเรื่องวัสดุที่ตอบสนองต่อความชื้นโดยอัตโนมัติ ไม่ใช่อุณหภูมิภายนอก วิธีนี้ช่วยประหยัดพลังงานและหลีกเลี่ยงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่
• เซลลูโลสจากแบคทีเรียคืออะไร และทำไมจึงมีแนวโน้มที่ดี BC เป็นไบโอพอลิเมอร์ที่ “เติบโต” โดยแบคทีเรียกรดอะซิติก ( Komagataeibacter ) โดยก่อตัวเป็นโครงข่ายนาโนไฟบริลลาร์ที่มีความจุน้ำสูง ความแข็งแรง การซึมผ่านของอากาศ และความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูง ในด้านสิ่งทอและวัสดุศาสตร์ BC ได้รับการยกย่องในเรื่องความอ่อนไหวต่อความชื้นและการผลิตที่ยั่งยืนจากวัตถุดิบหมุนเวียน
• ช่องว่างทางวิทยาศาสตร์ที่บทความใหม่ได้ปิดลงโซลูชันแบบพาสซีฟส่วนใหญ่มักจะขจัดความร้อน (การแผ่รังสี) หรือบัฟเฟอร์ความร้อน (PCM) โดยพิจารณาอย่างอ่อนว่าความชื้นเองน่าจะ "เปลี่ยน" ฉนวน งานวิจัยในScience Advancesใช้ชั้น BC เป็น "หัวใจ" ของเสื้อผ้าที่ให้ความอบอุ่น ซึ่งจะบางลงเมื่อมีเหงื่อ (อากาศน้อยลง → ฉนวนน้อยลง) และจะยืดตัวขึ้นอีกครั้งเมื่อแห้ง นั่นคือ มันสร้างฉนวนกันความร้อนที่ควบคุมตัวเองโดยอาศัยความชื้นในร่างกาย
• บริบทของภาคสนาม: สิ่งนี้เข้ากันได้อย่างไร? แนวโน้มนี้มุ่งสู่ระบบแบบพาสซีฟ ไบโอ และโพลีเมอร์ที่ขยาย “หน้าต่างแห่งความสบาย” โดยไม่ต้องใช้พลังงานของผู้ใช้ ถัดมาคือ: ตัวกระตุ้นไฮโกรมอร์ฟิกรุ่นใหม่ (แสดงให้เห็นถึงการขยายขอบเขตความสบายอย่างเห็นได้ชัด) และระบบระบายความร้อนด้วยรังสีจากเซลลูโลส/ชีวภาพ — BC สอดคล้องกับสาขา “สีเขียว” ของการจัดการความร้อนส่วนบุคคลนี้
• ผลกระทบเชิงปฏิบัติสำหรับอุตสาหกรรม: หาก “ความอวบอิ่ม” ของฉนวน BC ที่ควบคุมความชื้นได้รับการยืนยันในการทดสอบการสึกหรอ (การซักล้าง การสึกหรอ กลิ่น และการปรับเกณฑ์การตอบสนอง) ผู้ผลิตจะมีวัสดุอุดช่องว่างทางชีวภาพที่ปรับขนาดได้สำหรับชั้นในฤดูหนาว/ชั้นที่ใช้งานจริง โดยลดการเกิดความร้อนสูงเกินไปขณะใช้งานและลดอาการสั่นขณะพัก ซึ่งเป็นส่วนเสริม ไม่ใช่คู่แข่งของโซลูชันแบบแผ่รังสีและ PCM: ทั้งสองสามารถรวมกันในระบบหลายชั้นได้

วิธีการทำงาน

• ไส้แบคทีเรียเซลลูโลส (BC) เป็น "ตาข่าย" นาโนไฟบริลตามธรรมชาติที่ผลิตโดยแบคทีเรียที่ไม่เป็นอันตราย (ซึ่งทุกคนคุ้นเคยจากเชื้อราในชา/คอมบูชา) เมมเบรนนี้มีน้ำหนักเบา ทนทาน ระบายอากาศได้ดี และมีคุณสมบัติชอบน้ำ จึง "รับรู้" ความชื้นได้อย่างสมบูรณ์แบบ
• เมื่อคุณเริ่มเหงื่อออก ความชื้นใต้เสื้อผ้าจะเพิ่มขึ้น ชั้นเส้นใยจะสูญเสีย "ความพองตัว" และแบนราบลง อากาศภายในน้อยลง → ฉนวนกันความร้อนน้อยลง → ร่างกายสูญเสียความร้อนส่วนเกินได้ง่ายขึ้น ทันทีที่แห้ง โครงสร้างจะยืดตัวกลับคืนสู่สภาพเดิมและกลับมามีฉนวนกันความร้อนในระดับสูงอีกครั้งเนื่องจากอากาศระหว่างเส้นใย นี่เป็นกลไกแบบพาสซีฟง่ายๆ ที่ทำงานโดยอาศัยความชื้น ไม่ใช่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สิ่งที่ผู้เขียนแสดงให้เห็น

• ปรับตัวเข้ากับเหงื่อและความชื้น ในสภาวะแห้ง วัสดุจะคงความหนาสูงสุดไว้ที่ ~13 มม. และที่ความชื้นสูง (จำลองเหงื่อ) วัสดุจะบางลงเหลือ ~2 มม. ด้วย "ความหนาที่แปรผัน" เช่นนี้ ต้นแบบจึงยืดระยะเวลาของความสบายทางความร้อนได้อย่างมากเมื่อเทียบกับผ้าที่ให้ความอบอุ่นแบบเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปลี่ยนโหมด "พัก → โหลด"
• หลักการนี้สามารถปรับขนาดได้ ผู้เขียนเน้นย้ำว่า “ไส้” สามารถเย็บเข้ากับเสื้อผ้าได้หลากหลายประเภท ตั้งแต่ซับในไปจนถึงชั้นฉนวน และสามารถปรับให้เข้ากับสภาพอากาศ/น้ำหนักบรรทุกได้

เหตุใดจึงจำเป็นเช่นนี้?

เสื้อผ้ากันหนาวแบบคลาสสิกถือเป็นการประนีประนอม ยิ่งชั้นในอุ่นมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีความเสี่ยงที่จะเกิด "ความร้อนสูงเกินไปและเหงื่อออก" มากขึ้นเท่านั้น และยิ่งเย็นเกินไปเนื่องจากชุดชั้นในที่เปียกชื้น "มินิซาวน่า" สิ่งทอซึ่งลดประสิทธิภาพฉนวนความร้อนลงเมื่อเหงื่อออกและคืนตัวเมื่อแห้ง ช่วยรักษา "ค่าเฉลี่ยสีทอง" โดยไม่ต้องใช้ซิป วาล์ว หรือแบตเตอรี่ที่ไม่จำเป็น ความชื้นมีบทบาทสำคัญในการจัดการความร้อนของมนุษย์ (ความร้อนถูกดูดซับโดยการระเหย) ดังนั้นผ้า "อัจฉริยะ" จึงกำลังเรียนรู้ที่จะตอบสนองต่อความชื้น/ความชื้นโดยเฉพาะมากขึ้น

แตกต่างจากผ้าอัจฉริยะอื่นอย่างไร?

• ไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต่างจากระบบแอคทีฟ (เทอร์โมอิลิเมนต์/หุ่นยนต์แบบอ่อน) ตรงที่นี่คือฟิสิกส์ของวัสดุล้วนๆ: เปียก → บางกว่า แห้ง → หนากว่า ใช้งานง่ายกว่า ราคาถูกกว่า และอาจทนทานกว่าด้วย
• ไม่ใช่ "วาล์ว" แต่เป็น "ความอวบอิ่ม" ก่อนหน้านี้มีผ้าที่มีวาล์ว/รูพรุนสำหรับป้องกันความชื้น หรือผ้าที่มีความหนาแบบแอคคอร์เดียนบนแผ่นโพลีเมอร์ ปัจจุบัน บทบาทของ "แอคคอร์เดียน" ถูกแทนที่โดยแบคเซลลูโลสธรรมชาติ ซึ่งเป็นที่รู้จักอยู่แล้วในผ้าปิดแผลทางการแพทย์และสิ่งทอ "สีเขียว"
• ศักยภาพทางนิเวศวิทยา เซลลูโลสจากแบคทีเรียสามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ สามารถปลูกได้โดยไม่ต้องใช้ฝ้ายและน้ำมัน และการผลิตสอดคล้องกับแนวโน้มปัจจุบันที่มุ่งสู่วัสดุที่ยั่งยืน

ซึ่งสิ่งนี้อาจเป็นประโยชน์ได้

• ฤดูหนาวในเมืองและ "ออฟฟิศ-ถนน-รถไฟใต้ดิน" การเปลี่ยนแปลงของกิจกรรมและสภาพอากาศทำให้ร่างกาย "ร้อน/เย็น" น้อยลง แต่ความสบาย "ยาวนาน" ขึ้น
• กิจกรรมบนภูเขา/วิ่ง ระหว่างการปีนป่าย/วิ่ง เนื้อผ้าจะระบายอากาศได้ดี และเมื่อถึงจุดพัก เนื้อผ้าจะเก็บความร้อนได้ดีอีกครั้ง
• สภาพสนามและการผลิต ยิ่งมีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์น้อยเท่าไหร่ ก็ยิ่งเชื่อถือได้มากขึ้นเท่านั้น (ยิ่งไปกว่านั้น BC ยังมีน้ำหนักเบาและ "ระบายอากาศได้ดี" อีกด้วย)

ข้อจำกัด

นี่เป็นเพียงการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และต้นแบบเท่านั้น แต่ยังต้องมีการทดสอบสำหรับการสวมใส่ในชีวิตประจำวันอีกด้วย:

• ความทนทานและการซักได้ (การซักแบบเปียกและแห้งหลายรอบ "การซักแห้งตลอดชีวิต")
• ความสบายผิวและกลิ่นเมื่อสวมใส่เป็นเวลานาน
• การกำหนด “เกณฑ์” การตอบสนองสำหรับโปรไฟล์สภาพภูมิอากาศ/เหงื่อที่แตกต่างกัน
• ต้นทุนและการขยายขนาดของการผลิตผ้าจากแบคเซลลูโลสเป็นม้วน เปรียบเทียบ: สาขาผ้า "เทอร์โมเรกูเลตติง" กำลังเติบโตอย่างต่อเนื่อง แต่มีเพียงบางส่วนของแนวคิดที่เข้าถึงตลาดมวลชน

บทสรุป

"เสื้อผ้าที่ปรับให้เข้ากับเหงื่อ" คือการสานต่ออย่างมีเหตุผลจากการค้นหาสิ่งทอที่ไวต่อความชื้นและอุณหภูมิมานานกว่าทศวรรษ บทความใหม่ในวารสารScience Advancesได้เพิ่มเซลลูโลสจากแบคทีเรียธรรมชาติเข้าไปในสาขานี้ในฐานะ "หัวใจ" ของฉนวนแบบปรับตัว และแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงความหนาที่กว้างมาก (13 → 2 มม.) พร้อมกับระยะเวลาความสบายทางความร้อนที่เพิ่มขึ้น โดยไม่ต้องใช้สายไฟและเซ็นเซอร์

ที่มา: เสื้อผ้ากันหนาวที่ไวต่อเหงื่อ Science Advances (AAAS), 2025 DOI: 10.1126/sciadv.adu3472