中國團隊用AI+自然靈感，造出1兆帕水下超粘膠
文章來源： 更新時間：2025-09-10 15:45:29
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在日本北海道的海岸線上，一塊礁石上的景象曾讓路過的游客倍感好奇——一只黃色橡皮鴨被穩(wěn)穩(wěn)“釘”在巖石表面，任憑海浪日夜拍打、潮汐反復沖刷，始終紋絲不動。這不是街頭藝術，也不是惡作劇，而是北海道大學與深圳大學聯(lián)合科研團隊開展的一場真實實驗：他們要驗證一種全新水下超粘材料的極限性能。 數(shù)月后，當研究成果以封面文章形式登上《自然》雜志時，學界才意識到，這場看似“可愛”的實驗背后，藏著軟材料設計領域的一次革命性突破——人類首次通過“數(shù)據(jù)挖掘+仿生實驗+機器學習”的三位一體策略，開發(fā)出粘附強度達兆帕級的水下超粘水凝膠，徹底解決了傳統(tǒng)粘合劑在潮濕環(huán)境中“失靈”的百年難題。 01 水下粘附的“老大難”：傳統(tǒng)膠水為何在水里“掉鏈子” 在海洋開發(fā)、生物醫(yī)學、水下工程等領域，“在水里粘得牢”是一個剛需卻棘手的問題。比如深海探測設備的零部件損壞，需要在高壓水環(huán)境下快速修補；外科手術中，醫(yī)生需要能在血液和體液中起效的粘合劑，用于止血或封閉組織創(chuàng)口；水產(chǎn)養(yǎng)殖的網(wǎng)箱、海上平臺的管道出現(xiàn)裂縫，也離不開能在鹽水中長期耐用的粘補材料。但長期以來，傳統(tǒng)粘合劑在水下環(huán)境中始終“水土不服”，哪怕是日常生活中“萬能”的502膠，一碰到大量水也會瞬間失效。 502膠的工作原理，是依靠物體表面微量的濕氣引發(fā)固化反應，但在水下使用時，大量水分子會迅速包裹膠水，使其還沒來得及與被粘物接觸，就提前聚合成無用的固體；而普通膠帶或防水膠，要么無法排除被粘物表面的水膜，要么粘合后在水流沖擊下很快脫落。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)粘合劑在水下的粘附強度往往不足10千帕，連干燥環(huán)境下普通膠帶的粘附力（10-50千帕）都比不上，更無法滿足工程或醫(yī)療場景的需求。 大自然卻早已給出了完美答案。海邊礁石上的貽貝，能分泌一種特殊的足絲蛋白，牢牢吸附在巖石表面，哪怕遭遇臺風級別的海浪也不會脫落；下水道中的某些細菌，能在潮濕管壁上形成頑固菌膜，其粘附能力讓清潔工作都倍感吃力。這些生物的“秘密武器”，正是體內(nèi)的粘附蛋白——以貽貝為例，其足絲蛋白中富含一種名為“多巴”的氨基酸，這種分子如同微型吸盤，既能排斥水分子，又能與各類表面形成強相互作用，同時蛋白本身的彈性還能緩沖水流沖擊力。 “既然自然進化已經(jīng)篩選出最優(yōu)解，我們何不從中尋找設計靈感？”深圳大學化學與環(huán)境工程學院特聘副教授范海龍與北海道大學教授龔劍萍的聯(lián)合團隊，正是帶著這樣的思路，開啟了超粘水凝膠的研發(fā)之路。他們意識到，要突破水下粘附的瓶頸，關鍵不是重復傳統(tǒng)“試錯式”研發(fā)，而是先破解生物粘附蛋白的共性規(guī)律，再通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，將這些規(guī)律轉(zhuǎn)化為可量產(chǎn)的合成材料。 02 24707種蛋白里的“密碼”：從生物序列到化學單體 要從生物粘附蛋白中提煉設計規(guī)則，首先要解決的問題是“樣本量”——單一生物的蛋白序列具有局限性，只有分析足夠多的樣本，才能找到普適性規(guī)律。團隊沒有局限于貽貝這一種生物，而是直接打開了蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的“寶庫”：他們篩選出24707種來源各異的粘附蛋白，涵蓋古菌、細菌、真核生物、病毒，甚至包括人工合成的變異蛋白，構建了當時規(guī)模最大的粘附蛋白分析庫。 接下來的工作，像是在海量“天書”中尋找共性——團隊通過多序列比對技術，對這些蛋白的氨基酸序列進行拆解和分類。他們發(fā)現(xiàn)，盡管這些蛋白來自不同物種、功能略有差異，但在氨基酸組成上卻呈現(xiàn)出清晰的“功能聚類”：所有高效粘附蛋白，都離不開六大類氨基酸的特定組合。 這六類氨基酸各有“性格”：有的“怕水”（疏水類），能像油一樣排斥水分子；有的“親水”（親核類），可與水形成穩(wěn)定作用；有的帶正電（陽離子類）或負電（酸性類），能通過靜電作用吸附表面；還有的含有酰胺基或芳香環(huán)（酰胺類、芳香類），可形成氫鍵或π-π堆積，增強粘附穩(wěn)定性。 更關鍵的是，不同生物的粘附蛋白，對這六類氨基酸的“配方”有明確偏好：大腸桿菌的粘附蛋白，偏愛“疏水類+芳香類”的組合，這種搭配能在潮濕環(huán)境中快速形成疏水微區(qū)，排斥表面水膜；而貝類的粘附蛋白，則更依賴“陽離子類+芳香類”的組合，正電荷可與巖石表面的負電荷形成靜電吸引，芳香環(huán)則進一步加固相互作用。這些發(fā)現(xiàn)，相當于為團隊提供了一份“生物粘附設計說明書”——只要找到能模擬這六類氨基酸功能的化學單體，就能按“說明書”合成出類似的粘附材料。 團隊隨后進行了一次巧妙的“轉(zhuǎn)化”：他們篩選出六種化學單體，每種單體對應一類氨基酸的核心功能。比如用甲基丙烯酸丁酯模擬疏水類氨基酸，用羥乙基甲基丙烯酸模擬親核類氨基酸，用2-氨基乙基甲基丙烯酸鹽酸鹽模擬陽離子類氨基酸。這些單體就像“樂高積木”，只要按照生物蛋白的“配方比例”進行組合，就能搭建出具有粘附功能的聚合物鏈——這正是水凝膠的核心結(jié)構。 為了驗證這一思路，團隊首先合成了180種不同配方的仿生水凝膠，并對它們的水下粘附強度、流變性能（抗變形能力）、溶脹行為（吸水后的體積變化）進行了全面測試。結(jié)果令人振奮：其中16種水凝膠的水下粘附強度超過100千帕，是傳統(tǒng)水下粘合劑的10倍以上，接近干燥環(huán)境下502膠的粘附水平（約500千帕）。但團隊并未止步——他們要的不是“接近”，而是“超越”，而要實現(xiàn)這一點，必須引入更高效的優(yōu)化工具：機器學習。 03 AI的三輪迭代：從“大海撈針”到1兆帕的突破 傳統(tǒng)材料研發(fā)中，要提升性能往往需要“試錯”——改變一種單體的比例，合成、測試，再改變另一種，循環(huán)往復。面對水凝膠可能存在的無數(shù)種配方組合，這種方式如同“大海撈針”，既耗時又昂貴。而機器學習的優(yōu)勢，正在于從已有數(shù)據(jù)中找到“配方-性能”的隱藏關系，進而預測最優(yōu)方案，大幅縮小研發(fā)范圍。 團隊以180種水凝膠的實驗數(shù)據(jù)為基礎，構建了一個包含“單體比例、合成條件、粘附強度、流變性能”等多維度的數(shù)據(jù)集，隨后引入9種不同的機器學習算法（包括隨機森林、梯度提升樹等），讓AI學習“哪種單體組合能帶來更高的粘附強度”。經(jīng)過初步訓練，AI很快給出了一批新的配方建議——這些配方中，部分單體比例的組合是科研人員憑經(jīng)驗難以想到的，比如將疏水類單體與芳香類單體的比例調(diào)整為1:1.2，同時加入少量陽離子類單體。 團隊按照AI的建議，合成了第一批優(yōu)化后的水凝膠，測試發(fā)現(xiàn)最優(yōu)樣品的粘附強度提升至300千帕；他們將這批新數(shù)據(jù)重新輸入模型，讓AI進行第二輪學習，此次AI預測的配方，將粘附強度進一步推至600千帕；經(jīng)過三輪“實驗-數(shù)據(jù)反饋-模型優(yōu)化”的迭代后，一種名為“R1-max”的水凝膠脫穎而出——其水下粘附強度一舉突破1兆帕（1兆帕=1000千帕）。 這個數(shù)值的意義遠超數(shù)字本身：1兆帕意味著，一塊指甲蓋大小（約1平方厘米）的R1-max，能在水下穩(wěn)穩(wěn)吊起10公斤的重物，相當于一個標準大小西瓜的重量；與最初的180種水凝膠相比，其粘附強度提升了近7倍；即便是在3.5%的鹽水中（模擬海水環(huán)境），R1-max的粘附強度也能保持在0.8兆帕以上，且持續(xù)一年不衰減。 R1-max的“超粘”秘訣，恰好呼應了團隊從生物蛋白中提煉的規(guī)律：其配方中的疏水類和芳香類單體，能在接觸被粘物表面時快速形成“排水微區(qū)”，像“水泵”一樣將界面上的水分子排擠出去，創(chuàng)造出一個短暫的“干燥接觸層”；而陽離子類單體則與被粘物表面形成靜電吸引，芳香環(huán)通過π-π堆積進一步加固作用——這種“物理排水+化學吸附”的雙重機制，完美復刻了貽貝足絲蛋白的粘附原理，卻在強度上實現(xiàn)了超越。 在R1-max的基礎上，團隊又優(yōu)化出“R2-max”——這款水凝膠的優(yōu)勢在于“即時密封能力”。實驗顯示，將R2-max貼在直徑20毫米（約2厘米）的孔洞上，即便孔洞位于3米高的水管底部，水流以5.4米/秒的速度（相當于家用自來水壓力的5倍）噴涌，R2-max也能瞬間止住漏水，且持續(xù)5個月無滲漏。作為對比，市面上知名的商業(yè)防水膠帶FLEX TAPE，在相同條件下僅1.5小時就出現(xiàn)滲漏，足見R2-max的性能優(yōu)勢。 04 從深海到手術臺：超粘水凝膠的“全能”應用潛力 R1-max和R2-max的突破，不僅在于“粘得牢”，更在于“適用廣”——它們能在不同材質(zhì)、不同潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作，這為其應用場景打開了無限可能。 在海洋領域，團隊的“橡皮鴨實驗”早已驗證了其耐久性：將R1-max涂在橡皮鴨底部，粘在北海道海邊的礁石上，經(jīng)過一年的海浪沖刷、鹽霧侵蝕，橡皮鴨依然牢牢固定在原位，水凝膠與巖石的接觸面沒有出現(xiàn)任何剝離。這意味著，未來這種材料可用于深海探測設備的零部件粘接、海上平臺的裂縫修補，甚至水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱的快速修復——以往這類工作需要將設備打撈上岸，成本高昂，而有了超粘水凝膠，工作人員可直接在水下操作，大幅提升效率。 在生物醫(yī)學領域，超粘水凝膠的“生物相容性”成為關鍵優(yōu)勢。團隊將R1-max植入小鼠皮下，觀察6個月后發(fā)現(xiàn)，小鼠沒有出現(xiàn)炎癥反應，水凝膠周圍也沒有形成纖維包裹（這是判斷材料是否兼容人體的重要指標）；同時，R1-max能牢固粘附在豬骨表面，剝離時需要的力達到0.6兆帕——這為其在外科手術中的應用奠定了基礎。未來，醫(yī)生或許能用這類水凝膠作為“手術膠水”，在腹腔鏡手術中快速封閉腸道創(chuàng)口，或用于骨折固定時的輔助粘合，甚至作為假體涂層，讓人工關節(jié)與人體骨骼的結(jié)合更牢固、更持久。 更值得關注的是，這種“從生物中找靈感，用AI做優(yōu)化”的研發(fā)范式，具有極強的可復制性。正如米蘭比可卡大學副教授Laura Russo在《自然》同期“新聞與觀點”文章中評價的：“這項研究證明，AI已不再是材料科學中的‘輔助工具’，而是能直接參與設計的‘核心伙伴’。” 團隊的策略不僅適用于水凝膠，還可擴展到其他軟材料的研發(fā)——比如用于可穿戴傳感器的彈性體、用于藥物遞送的智能凝膠等，只需更換“生物靈感來源”（如肌肉蛋白、皮膚膠原蛋白），就能通過相同的“數(shù)據(jù)挖掘-實驗驗證-AI優(yōu)化”流程，開發(fā)出具有特定功能的新材料。 05 未竟之路：超粘材料背后的挑戰(zhàn)與未來 盡管成果顯著，團隊也清醒地認識到，超粘水凝膠的研發(fā)仍有“未竟之路”。目前的材料設計中，單體種類僅局限于6種，未來需要擴展更豐富的“單體庫”，以實現(xiàn)更精細的性能調(diào)控；其次，當前聚合物鏈的序列控制仍依賴“統(tǒng)計共聚”，無法像天然蛋白那樣實現(xiàn)精確的氨基酸序列排布，這可能限制材料性能的進一步提升；此外，現(xiàn)有數(shù)據(jù)集雖包含180種水凝膠，但相較于軟材料龐大的設計空間，仍顯“稀疏”，未來需要結(jié)合更多實驗數(shù)據(jù)與物理模型，開發(fā)出能在“小數(shù)據(jù)”場景下精準預測的AI算法。 這些挑戰(zhàn)，恰恰指向了下一代材料研發(fā)的方向：當“自然啟發(fā)”遇上“AI賦能”，人類正在從“模仿自然”走向“超越自然”。從海邊礁石上的橡皮鴨，到手術臺上的生物膠水，再到深海中的探測設備，超粘水凝膠的故事，不僅是一項技術突破，更是一次科研思維的革新——它證明，復雜材料的設計不必再依賴“運氣”與“試錯”，通過解讀自然的密碼、借助數(shù)據(jù)的力量，我們完全可以按“需求”定制出性能卓越的新材料，為解決現(xiàn)實中的工程難題、醫(yī)療困境提供全新方案。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_584424.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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