基于溫敏變色材料的防疫產(chǎn)品設(shè)計(jì)與趨勢(shì)研究

夏驕陽(yáng)， 卜圓超

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

0 引言

中國(guó)在 《中國(guó)制造2025》、《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃綱要》 等國(guó)家級(jí)引領(lǐng)性文件中提出未來(lái)我國(guó)材料產(chǎn)業(yè)將重點(diǎn)發(fā)展智能材料、高端新材料。放眼全球，各國(guó)在智能材料方向的發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)不盡相同，美國(guó)重點(diǎn)發(fā)展新能源、 生物與醫(yī)藥方向； 歐盟重點(diǎn)發(fā)展催化劑、光學(xué)與電光方向；俄羅斯重點(diǎn)發(fā)展航空航天、能源與化工方向。 雖然發(fā)展重點(diǎn)領(lǐng)域各不相同， 但是智能材料作為全球“第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）”的技術(shù)高地，各國(guó)不斷出臺(tái)相關(guān)政策支持智能材料的發(fā)展。

智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料，主要分為四大類：基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)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(jù)變化量呈現(xiàn)出明顯特征變化的溫敏變色材料， 在生活場(chǎng)景中應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)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(huán)境溫度的差異變化，達(dá)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(lán)、深藍(lán)等。 第一個(gè)成功的商業(yè)應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)的Corning 工作室的兩位材料學(xué)家Amistead 和Stooky 首先發(fā)現(xiàn)了含鹵化銀（AgX）玻璃的可逆光致變色性能。在隨后的時(shí)間內(nèi)各國(guó)開發(fā)了大量包含聚合物、液晶、有機(jī)和無(wú)機(jī)在內(nèi)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(yīng)用

2 溫感變色材料的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

新一代技術(shù)和材料應(yīng)用步伐加快： 隨著應(yīng)用產(chǎn)品要求的不斷提高，對(duì)于技術(shù)和材料的要求也越來(lái)越高，各種新型微膠囊技術(shù)、變色染料、顯色劑和溶劑的應(yīng)用日益廣泛。新一代微膠囊技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)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(gè)領(lǐng)域，也可依據(jù)客戶需求，定制有色變有色產(chǎn)品，溫度區(qū)間從18°-50°。推動(dòng)溫敏變色材料向變色靈敏度且抗（熱）疲勞性強(qiáng)的方向發(fā)展。

專利分析：通過(guò)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(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(yè)

圖2 全球溫敏變色材料專利主要國(guó)家申請(qǐng)趨勢(shì)

可見， 目前全球溫敏變色材料相關(guān)專利的申請(qǐng)國(guó)家主要有中國(guó)、美國(guó)、日本、土耳其等。 1994 年和2003 年中國(guó)首次在溫敏變色領(lǐng)域展開研究， 隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，2019 年，中國(guó)的溫敏變色材料專利申請(qǐng)數(shù)量首次突破達(dá)到50 例。

從圖3 可知， 目前溫敏變色產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)熱點(diǎn)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(xué)，木材；③壁紙， 著色劑，層狀結(jié)構(gòu)顯色劑； ④中空，紡絲， 調(diào)光，電纜， 零冷水；⑤檢 測(cè) 裝 置， 核酸， 樣品溶液，層析試紙等領(lǐng)域。主要應(yīng)用領(lǐng)域集中于注塑行業(yè)、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(chǎn)品中的應(yīng)用意義

“防疫”一詞可被理解為防控、阻絕、消滅傳染病毒的統(tǒng)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(yù)防，其中涵蓋檢疫、普查、管控感染源，以及后續(xù)疫苗的接種等等防疫舉措。

目前的防疫產(chǎn)品，如醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用防護(hù)服、醫(yī)用隔離面罩、急救包、護(hù)目鏡、一次性手套等等，其常見材料為：無(wú)紡布、非織造布、PVC、PE 等常規(guī)工業(yè)材料，能夠滿足疫情之下對(duì)于防疫物資產(chǎn)品基本的防護(hù)性、舒適性、安全性、以及優(yōu)良的物理機(jī)械性能。

在疫情趨于常態(tài)化的當(dāng)下， 防疫物資產(chǎn)品也逐漸成為了生活必需品， 對(duì)于防疫物資產(chǎn)品的需求也在隨之不斷細(xì)化。筆者認(rèn)為，在未來(lái)智能材料如溫敏變色材料對(duì)防疫產(chǎn)品的介入與應(yīng)用具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（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(chǎn)品的無(wú)意識(shí)狀態(tài)下對(duì)體溫進(jìn)行感知，并根據(jù)溫度的變化量，相應(yīng)地在材料表面呈現(xiàn)顯著的色彩變化，對(duì)于日常的體溫檢測(cè)，亦或是對(duì)患者體溫異常的粗篩與快速研判， 進(jìn)而輔助提升防疫工作效率，在應(yīng)用領(lǐng)域都具備極大的潛力。

（2）溫敏變色材料在防疫產(chǎn)品中的“軟性要素”需求。進(jìn)入2022 年以來(lái)，隨著新冠肺炎病毒“奧密克戎”毒株的變異， 導(dǎo)致我國(guó)以上海為首的各大一線城市數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的居民，進(jìn)入了長(zhǎng)達(dá)數(shù)周乃至數(shù)月的靜態(tài)管理狀態(tài)。

在嚴(yán)峻的疫情防控措施下， 防疫產(chǎn)品設(shè)計(jì)則更需要滿足形式與功能的基礎(chǔ)上， 兼顧到隔離群體的心理特征與情感需求。 情感化設(shè)計(jì)的核心在于滿足消費(fèi)者更深層次的情感和心理需求，設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)、操作包括產(chǎn)品特質(zhì)的情感化。 當(dāng)前傳統(tǒng)防疫產(chǎn)品的設(shè)計(jì)偏重功能導(dǎo)向，只關(guān)注產(chǎn)品與材料的機(jī)械性能等“硬性標(biāo)準(zhǔn)”，而缺少在用戶側(cè)對(duì)于顏色、產(chǎn)品外觀、使用方式等“軟性要素”考量，而溫敏變色材料所獨(dú)具的新穎的視覺(jué)效果、良好的交互性與趣味性， 以及對(duì)產(chǎn)品使用方式一定程度的簡(jiǎn)化，可以在滿足防疫產(chǎn)品形式與功能的同時(shí)，兼顧用戶對(duì)防疫產(chǎn)品的情感趨向，以達(dá)成愉悅、輕松的情感反饋。在防疫產(chǎn)品中情感化要素的體現(xiàn)， 也將成為疫情常態(tài)化的大背景下，未來(lái)防疫產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)劣的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

（3）智能材料在制造領(lǐng)域的應(yīng)用語(yǔ)境創(chuàng)新探索。在新型材料的開發(fā)與其在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用， 現(xiàn)行的實(shí)踐方法主要為：”以材料為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)（Design for Materials）“與MADEC 研究中心提出的 “設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)式材料創(chuàng)新（DdMIM）”，兩者從供、需角度互為補(bǔ)充，而智能材料的革新所帶來(lái)的，對(duì)于新興應(yīng)用語(yǔ)境的創(chuàng)新探索，從供、需兩側(cè)都成為接下來(lái)亟需探索的目標(biāo)。

但我們?nèi)孕枳⒁獾降氖牵?智能材料由于其自身復(fù)雜的制造工藝與相較傳統(tǒng)工業(yè)材料較高的生產(chǎn)成本， 目前尚未被廣泛應(yīng)用在商業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。因此，本次研究以防疫產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)為例， 圍繞以溫敏變色材料為代表的智能材料的創(chuàng)新性應(yīng)用，提供良好的便利性，為智能材料在日常生活語(yǔ)境下的下沉式應(yīng)用提供借鑒。

4 溫敏變色材料在防疫產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路

（1）防疫產(chǎn)品的功能性與體驗(yàn)性目標(biāo)。當(dāng)下常見的測(cè)量方式為以額溫槍為主的紅外線體溫計(jì)， 因額溫極易受到例如環(huán)境溫度、濕度，甚至頭發(fā)、飾品此類遮擋物等因素的影響，導(dǎo)致溫度顯示出現(xiàn)較大波動(dòng)，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差，從而無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地反映用戶的體溫異常情況。日本著名產(chǎn)品設(shè)計(jì)師深澤直人先生的“無(wú)意識(shí)設(shè)計(jì)”（Without Thought）理念中強(qiáng)調(diào)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)深刻洞察并遵循用戶的行為習(xí)慣，降低設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)成本和行為成本，從而提高用戶的體驗(yàn)性。 現(xiàn)行的測(cè)溫產(chǎn)品對(duì)于人們?nèi)粘ｓw溫的檢測(cè)行為手段過(guò)于冰冷與刻板，“測(cè)體溫” 這一行為逐漸成為日常生活中的一個(gè)必需組成部分， 但測(cè)體溫的動(dòng)作、方法以及對(duì)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍舊需要大量學(xué)習(xí)、行為成本，與我們的日常習(xí)慣產(chǎn)生割裂。 因此，將防疫產(chǎn)品的功能性與體驗(yàn)性同時(shí)納入考量維度， 將是今后防疫相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

（2）溫敏變色材料與防疫產(chǎn)品結(jié)合的應(yīng)用構(gòu)想。溫敏變色材料對(duì)溫度的高敏感度， 能夠迅速通過(guò)顏色改變實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫信息的視覺(jué)化反饋的特性， 充分考量用戶的生理、心理需求，嘗試賦予測(cè)溫產(chǎn)品以更日?；?、符合用戶行為習(xí)慣、降低學(xué)習(xí)、行為成本的設(shè)計(jì)形式，將溫敏變色材料應(yīng)用于測(cè)量體溫的防疫產(chǎn)品當(dāng)中。

5 溫敏變色材料在防疫產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

此外， 溫敏變色材料所具備獨(dú)特的可變特性所帶來(lái)的交互潛能， 在設(shè)計(jì)實(shí)踐中可以完成對(duì)溫度信息的可視化傳遞，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品-人、人-產(chǎn)品-人之間的“信息流”傳遞。圖4 為筆者在2022 年的設(shè)計(jì)案例《！ 》中，將溫敏變色材料應(yīng)用于腋溫測(cè)試的溫度計(jì)的設(shè)計(jì)。 在醫(yī)學(xué)上將腋溫≥37.5℃定義為發(fā)熱，因此將有機(jī)可逆類溫敏變色涂料的變色溫度定制在37.5℃， 用戶在測(cè)溫過(guò)程中將測(cè)溫端放置在腋下10s，若產(chǎn)品仍舊呈現(xiàn)白色或者淺紅色，則表示體溫正常，若產(chǎn)品測(cè)溫端呈現(xiàn)大紅色，則表示用戶體溫高于37.5℃，有發(fā)熱體征。 另外在手持端，設(shè)計(jì)有“37.5℃”與內(nèi)含“！”字符的大紅色圓形圖標(biāo)，意在通過(guò)發(fā)熱溫度與警示顏色的關(guān)聯(lián)性表示，對(duì)用戶的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行提示。溫度計(jì)的造形思路，在增大測(cè)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(chǔ)上， 沿用傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)的整體尺寸、形態(tài)、使用方式，遵循大眾用戶對(duì)“測(cè)溫行為”的習(xí)慣性記憶，降低用戶對(duì)于產(chǎn)品形態(tài)的陌生感，進(jìn)而帶來(lái)的在操作方法上伴隨的學(xué)習(xí)成本，使用戶能夠?qū)㈥P(guān)注點(diǎn)完全圍繞于對(duì)新型材料的感知，而這一點(diǎn)也與深澤直人先生的“無(wú)意識(shí)設(shè)計(jì)”（Without Thought）理念不謀而合。

圖4 應(yīng)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(gè)層次：本能層次、行為層次和反思層次，而情感化設(shè)計(jì)方法則需要設(shè)計(jì)者能夠從以上三個(gè)層面準(zhǔn)確洞察并匹配用戶需求，在滿足對(duì)產(chǎn)品功能訴求的前提下，充分照顧用戶可能出現(xiàn)的情緒，即充分尊重用戶從對(duì)產(chǎn)品的第一印象，到使用過(guò)程的情緒反饋， 再到使用結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品的反思評(píng)判。 將情感化設(shè)計(jì)的方法論介入到溫敏變色材料在防疫產(chǎn)品中的具體實(shí)踐應(yīng)用中來(lái)，簡(jiǎn)而言之，可歸納為通過(guò)對(duì)“信息流”的創(chuàng)新性、趣味化呈現(xiàn)，將用戶對(duì)防疫行為及相關(guān)產(chǎn)品的回避心理，轉(zhuǎn)化為對(duì)新型材料的使用情趣，以情感化設(shè)計(jì)理論為支撐， 為溫敏變色材料的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用語(yǔ)境起到探索意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)4.0 時(shí)代的驅(qū)動(dòng)下， 技術(shù)帶來(lái)的創(chuàng)新勢(shì)能極其可觀。 本文聚焦于溫敏變色材料的宏觀發(fā)展趨勢(shì)和微觀應(yīng)用實(shí)例，基于該材料的可變屬性與交互潛能，探討其在防疫產(chǎn)品中對(duì)防疫效率、防疫產(chǎn)品用戶的情感化需求、以及在智能材料的新應(yīng)用語(yǔ)境等側(cè)面的研究意義。此外，本次研究嘗試在材料驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品革新中，納入“人”這一考量維度，為智能材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)語(yǔ)境下的實(shí)際應(yīng)用提供新視角。 筆者認(rèn)為，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的革新不應(yīng)脫離人的感知而獨(dú)立存在，因此，溫敏變色材料在未來(lái)的應(yīng)用也應(yīng)當(dāng)逐步從滿足基本的功能需求導(dǎo)向，轉(zhuǎn)向兼顧用戶的心理需求導(dǎo)向， 而這種基于人本主義對(duì)情感化需求的洞察，也意味著我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變的縮影。