人体哪个部位最怕冷

文/樊佳璇（清华大学）

研究团队使用暖体假人开展低温环境现场实验

清华大学建筑学院2021级硕士鞠欣源的本科毕业论文《低温环境下人体热舒适的部位需求分布及响应特征研究》被评为优秀毕业论文。她是怎样通过一件神奇的加热服和一系列的冷库实验，发现人体哪个部位最怕冷？同时,又如何为个体热舒适的改善提供理论支撑？

不设计建筑的建筑学院学生

鞠欣源本科专业为建筑环境与能源应用工程，隶属于清华大学建筑学院的建筑技术科学系。不同于负责对建筑结构、外观进行整体设计规划的建筑系，建环专业的研究领域主要是在建筑设计完工后，对室内的空调设备、声光条件、空气质量等条件进行合理规划，以营造必要的适宜人类生活、工作的居住环境，同时也包括了对建筑运行过程中如何实现节能减碳目标等相关问题的研究。

鞠欣源本科阶段就进入了清华大学建筑学院朱颖心教授和曹彬副教授带领的热舒适课题组，在课题组老师和师兄、师姐的带领下，研究如何通过技术手段改善人对热环境的满意度和接受度。由于人对舒适的感受具有一定的主观性，研究需要先基于实验和投票将受试者的感受转化为可量化的数据。实验过程中，除了需要定期向受试者发放问卷，收集受试者主观感受，还会通过心率带、皮肤温度传感器、核心温度胶囊等设备，采集受试者在实验过程中的心率、皮肤温度、核心温度等数据，并结合问卷结果进行综合分析，得出结论。这样的研究方法成为鞠欣源在毕业设计中采用的基本研究框架。

冬奥极寒环境诞生的“热”课题

2022年，奥林匹克的圣火再次在北京点燃，在延庆、张家口赛区举办的大量雪上项目多在露天举行，山区雪多风大，气温低至 -10 ℃甚至 -20 ℃的情况很常见。极端的低温环境不仅影响观众的参与热情，可能导致大量观众因过于寒冷而提前退场，还可能会使媒体记者、志愿者等因为手脚冻僵而难以正常工作，这给赛事组织方的热舒适保障带来极大挑战。

自2018年开始，清华大学建筑学院副教授曹彬团队参与了国家“十三五”重点研发计划“科技冬奥”专项，开展了一系列基础研究和设备研发，力求在冰雪运动场馆极端寒冷条件下，为广大观众提供较为温暖舒适的观赛保障，从而提升观赛体验。

曹彬副教授也是鞠欣源的毕业论文导师。鞠欣源深入了解了曹彬老师课题组针对冬奥研发的“加热坐垫”“加热马甲”等设备，并对局部热舒适以及个体热舒适系统领域过往研究进行了梳理。她发现还存在很大的研究空间，例如实验往往集中于单个或三到四个部位的热刺激，不同身体部位的组合测试相对较少，受试者在实验中主要作为被动接受者而不具有自主调节能力等。

通过反复讨论与修改，鞠欣源在以往的课题成果和工程项目上进行深入发掘，将自己毕业论文的研究问题确定为自主调节加热模式下人体热需求的部位间分布，以及交替加热的热舒适改善效果。她希望通过对人的不同部位热需求的实验研究，为个体热舒适设备的开发应用提供一定的理论支撑，服务于冰雪运动员、边防官兵等需长期处于低温环境的工作者。

冷库里诞生的优秀毕业论文

为了完成这一复杂的实验，首先需要一套涵盖温度测量与控制、问卷发布与数据收集的实验系统。鞠欣源与专业公司合作，设计出了一套以加热服为核心的局部热舒适实验平台。

加热服由普通的运动服改造而成，在一套运动服上添加20片石墨烯加热片，覆盖人体的胸、腹、大臂、大腿等9个部位，每片加热片通过线路与位于控制盒内的主板相连，通过4G通讯实现与主试端和被试端的数据传输与温度控制。

专门设计定制加热服装与实验平台，耗费了鞠欣源大量时间，留给实验的时间十分有限。而在进入实验阶段后，由于新开发的设备本身存在不稳定性，再加上招募来的受试者也都是没有相关经验的普通学生，鞠欣源在整个实验过程中需要不断地与实验设备、平台进行磨合，修复bug。现在回忆起那段经历，鞠欣源第一时间想到的就是实验中一系列令人“防不胜防”的“意外事故”。

加热服是鞠欣源整套实验设备的核心部件。每次实验开始前，都需要受试者先穿戴好整套加热服，而分布在加热服上各个部位的加热片通过一条条线路与主板相连，遍布全身的电源线路，就像是为加热服“输血”的“血管”，对实验过程中的温度控制与数据传输具有至关重要的作用。

然而，作为一套自研的实验设备，加热服没有经过细致包装，电源线被直接附着在运动服里衬上，受试者在穿戴加热服时，密集而裸露的电源线被扯断的情况时有发生。即使在外观没有异常的情况下，也可能会发生加热片失灵等情况。针对此，鞠欣源一方面加强在实验开始前的设备检查，另一方面，在实验过程中时刻通过对讲机与受试者保持沟通，随时准备处理实验过程中可能出现的意外状况。

除了实验设备的“不稳定性”，鞠欣源遇到的另一个困难是实验环境的营造。冬奥赛场的平均温度常常低至-10℃，甚至-20℃。为了模拟极端严寒的气候环境，鞠欣源将自己的实验条件设定在了-15℃，这就需要一个10m左右的空间，能够同时容纳两位受试者，且温度稳定维持在-15℃。由于清华校内没有能够满足这一实验需求的低温实验室，鞠欣源只好借助校外场地完成实验。最终，天津商业大学的制冷技术实验室提供了符合鞠欣源实验需求的冷库，这个培养制冷专业人才的重点实验室，成为了鞠欣源研究热舒适的实验场。

实验平台运行流程示意图

经过不懈努力，鞠欣源最终完成了实验，得到了人体不同部位的热需求分布规律，也验证了个体间热需求确实存在差异的假设。

鞠欣源从实验中得出的第一个结论便是人体热需求的分布在身体各部位间是有差别的。在实验的第一阶段，受试者可以通过手中的平板电脑，自主调节身体各部位加热片的加热温度，从而达到比较舒适的状态。鞠欣源对受试者的自主调节数据进行统计分析后发现，如果以加热片温度调整幅度为标准度量部位间热需求，四肢的热需求明显高于躯干。其中，小腿部位加热片温度提升最高，达到了14.9℃，而背部最低，只有5.8℃。也就是说，从鞠欣源的实验结果来看，小腿是人体最怕冷的部位。

在解释“交替加热在节能的同时，与持续加热效果基本相同”的结论时，鞠欣源试图用拍电影来类比，让这一结论更便于理解。在她看来，电影是将一帧一帧的静止画面连续播放，利用人眼的“视觉暂留”原理，使人得到连续动态的视觉观感，形成与真实世界中观看连续运动的物体相同的感受。与此类似，“热感觉暂留”效果同样存在，通过对人体3个部位为一组的交替循环加热，获得的热舒适改善效果与持续加热相近。同时，相较全身9个部位持续加热的模式，交替加热又节省了2/3的加热时间，起到了节能效果。

鞠欣源的毕设最终被评为2021年清华大学优秀毕业论文，她自研的实验平台系统也已经在课题组内得到了小范围推广，应用到组内开展的其他实验中。接下来，鞠欣源会继续在热舒适领域为改善人的环境满意度做出微小却有意义的探索。