麻省理工學院一研究團隊近期研發出一種可以“呼吸”的運動衣。

這種運動衣上配有的用于通風“瓣膜”，可以根據運動員身體產生的熱量和汗水自主開閉，幫助散熱。這些“瓣膜”，從指甲蓋大小到手指大小，周圍都是由活的細胞組成，這些細胞會對周圍的濕度產生反應。這些細胞相當于小型傳感器和啟動器，促使著“瓣膜”在出汗的時候打開，并在身體降溫之后關閉。

這個研究團隊還嘗試在跑鞋里邊安裝類似的由細胞操控的“瓣膜”來排出水汽。這兩個設計的細節已經在Science Advances上發布。

為什么在材料中使用活細胞？研究人員表示對水分敏感的細胞不需要額外的元素來感知水分和對水分產生反應。他們所使用的細胞也被證實對人體是安全的，可以接觸，甚至可以吞食。除此之外，憑借現在的基因工程工具，細胞可以很快的、大量的制備，并且可以實現除對水分反應之外的其他功能。

為了展示細胞對水分的反應，研究團隊通過設計，不僅使這些細胞可以用來打開“瓣膜”，并且可以在遇到水汽的時候發出熒光。

“我們可以將細胞和基因工程工具結合在一起，實現更多的功能，”該研究的第一作者Wen Wang說道。“我們使用熒光作為一個例子，這樣的功能可以讓別人看到在黑暗中跑步的你。在未來，我們可以將產生氣味的功能添加到這些細胞中。這樣在去完健身房之后，衣服可以散發出好聞的氣味。”

Wang還有14位來自MIT的聯合作者，這些研究人員擅長的領域包括機械工程、化學工程、建筑學、生物工程、時尚設計，和來自新百倫體育公司（New Balance Athletics）的研究人員。

▲ MIT為這項生物材料技術拍攝的視頻

可以變形的細胞

在自然界中，生物學家發現有機生物和它們的組成材料，從松樹球果到微生物細胞再到某些蛋白質，會因為濕度的變化而改變自己的結構或大小。這支MIT研究團隊就設想這些可以變形的細胞，比如酵母、細菌和其他微生物細胞，可以用來制作對濕度產生反應的衣料。

“這些細胞非常強壯，它們可以牽拉涂滿了細胞的襯底，使其彎曲，”Wang說道。

研究人員首先使用了非致病性大腸桿菌菌株，它們會在濕度發生變化時擴張或者縮小。他們然后將可以發綠色熒光的蛋白質植入到細胞內，使得細胞可以在感受到濕度時發光。

這之后，研究人員使用細胞印刷技術，將大腸桿菌菌株植入到粗糙、天然的橡膠中。

研究團隊將大腸桿菌菌株平行印刷到兩層橡膠上，然后將這個材料放到濕氣變化的環境中。當把材料放到一個熱盤子中晾干時，細胞開始縮小，從而使橡膠層變得卷曲。當材料接觸到水汽時，細胞開始發光并開始擴大，從而使橡膠變得舒展。在進行了100次這種測試后，Wang表示材料“并沒有顯著的損害”。

沒有汗水

研究人員將這種材料移植到衣服上，設計出后背裝有橡膠“瓣膜”的跑步衣。根據人體產生的熱量和汗水分布位置，研究者修改了每個“瓣膜”的大小和開口的程度。

“人們可能會認為產生熱量和產生汗水是一回事，但是實際上，人體有些地方，比如脊柱下半部會產生很多汗液但是并不會產生很多熱量，”Yao說道。“我們在設計這件衣服時參考了熱量和汗液地圖，這樣可以將產生熱量多的區域的“瓣膜”做得大一些。”

每個“瓣膜”下邊的支撐材料可以保證這些細胞不會直接接觸到皮膚，同時也可以保證這些細胞能夠感覺到皮膚濕度的變化，并作出反應。在測試這件跑步衣時，參與者進行了跑步機和騎行的訓練，研究人員使用小型的傳感器監測這些人的體溫和濕度的變化。

在運動大概5分鐘后，跑步衣的“瓣膜”開始打開，這也正是測試者反饋開始感覺到熱和出汗的時間。根據傳感器的數據，“瓣膜”有效的將汗液排出體外和降低體溫，比穿著類似跑步衣但是沒有這種功能型“瓣膜”的效果更明顯。

當Wang自己穿上這件衣服時，她發現這些“瓣膜”帶來非常好的感受。在騎車幾分鐘后，她回憶道“就像在背后背了一個空調一樣。”

通風的跑步鞋

研究團隊也將這種材料植入到一只跑鞋里進行測試。在腳底和鞋底接觸的地方，研究人員縫上了一些“瓣膜”，將布滿細胞的那層對著運動員的腳——但并未直接接觸。他們又根據腳部熱量和出汗的情況重新設計了“瓣膜”的大小和位置。

“一開始時，我們想過把“瓣膜”放到鞋子的上部，但是我們發現腳出汗的部位并不是在腳的上部，”Wang說道。“但是腳的底部會出很多汗，這會導致一些足部疾病的產生。所以我們想到，是否可以將腳保持干爽而阻止這些疾病的產生呢？”

就跟運動衣上的“瓣膜”一樣，跑步鞋里的生物材料也會在研究人員增加周圍濕度時打開并發光；在干燥的環境中關閉。

在未來，研究團隊希望和體育用品公司進行合作，商業化他們的設計，并且探索其他用途，包括對濕度敏感的窗簾、床單等。

“這個工作是將生物科技運用到新材料、設備和新功能設計中的一個例子，”Xuanhe Zhao說道，他是機械工程學院的副教授，也是本次研究的聯合作者。“我們相信這種新型的活細胞材料和設備將會在工程和生物技術領域有重要的應用。”

聲明：本文為懶熊體育編譯自MIT News Office，原文作者為 Jennifer Chu