在許多應(yīng)用中都需要能在潮濕環(huán)境中使用的超強(qiáng)粘性水凝膠，例如在手術(shù)中用作封合組織和止血的膠水，在傷口愈合和組織再生中用作凝膠，以及在船舶和海上結(jié)構(gòu)的水下使用。然而，設(shè)計(jì)此類水凝膠頗具難度，因?yàn)槭共牧先彳浀奶匦酝c促進(jìn)粘附的特性相反。此外，發(fā)現(xiàn)具有特定應(yīng)用所需功能的水凝膠的傳統(tǒng)方法基本上是反復(fù)試驗(yàn)。這種方法既昂貴又耗時(shí)，因此極大地限制了可應(yīng)用于臨床或工業(yè)的材料的發(fā)展。
2025 年 8 月 6 日，北海道大學(xué)龔劍萍、深圳大學(xué)范海龍、蘇州實(shí)驗(yàn)室李偉等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels 的研究論文，該論文還被選為了封面論文。
該研究報(bào)道了由人工智能（AI）模型輔助設(shè)計(jì)、以自然界存在的黏附蛋白為靈感的能在水中保持粘性的超強(qiáng)粘性水凝膠，這種水凝膠被證明能修補(bǔ)水管漏洞并在水下粘住物體，具有一系列潛在應(yīng)用。
封面論文：設(shè)計(jì)能在潮濕環(huán)境中保持粘性的膠粘劑是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，龔劍萍團(tuán)隊(duì)等從大自然中汲取靈感，開發(fā)出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)分析天然粘性蛋白序列，然后利用人工智能（AI）創(chuàng)造出能在水中保持粘性的超強(qiáng)粘性水凝膠。封面圖片是他們合成的一種名為 R1-max 的水凝膠，該水凝膠將一直橡膠小黃鴨粘在海中的礁石上，輕松經(jīng)受住了海浪和潮汐的考驗(yàn)。
機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等人工智能（AI）方法已被用于識(shí)別具有特定屬性的堅(jiān)硬無機(jī)材料。此外，AI 還能夠與機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)并實(shí)施了由 AI 計(jì)算識(shí)別出的化合物的合成。然而，堅(jiān)硬的無機(jī)材料通常具有明確的結(jié)構(gòu)和屬性，這或許簡化了利用 AI 識(shí)別它們的過程。
相比之下，利用 AI 來確定適用于特定功能的水凝膠是一項(xiàng)復(fù)雜得多的任務(wù)，原因有多個(gè)。其中一個(gè)問題是，功能性水凝膠中的聚合物分子可能包含多種化學(xué)基團(tuán)。另一個(gè)問題是，水凝膠的性能會(huì)受到多種因素的影響，比如分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)、分子采取不同構(gòu)象的能力以及分子間的相互作用。水凝膠的流變學(xué)特性（即它們在受力時(shí)的變形和流動(dòng)方式）也必須針對實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。還有一個(gè)專門影響濕環(huán)境中水凝膠的問題是，水凝膠通常在吸水時(shí)會(huì)膨脹，這種膨脹行為也必須加以考慮。
此外，訓(xùn)練 AI 平臺(tái)以預(yù)測材料特性通常需要大量數(shù)據(jù)集，但描述影響水凝膠特性的多種化學(xué)和物理參數(shù)的數(shù)據(jù)卻鮮有報(bào)道。因此，AI 僅被用于預(yù)測水凝膠在配方和制造方面的重要特性，比如溶脹行為和是否適合 3D 打印。不過，這些研究展示了 AI 如何能夠用于知道柔性材料的研究與開發(fā)，從而減少所需的實(shí)驗(yàn)工作量。
在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種受自然啟發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，用于設(shè)計(jì)超強(qiáng)粘性水凝膠。研究團(tuán)隊(duì)分析了水下生物系統(tǒng)中用作粘合劑的 24707 種天然黏附蛋白的氨基酸序列，以確定這些天然膠水的特征。然后，他們利用這一分析來指導(dǎo)設(shè)計(jì)了 180 種水凝膠，這些水凝膠的分子構(gòu)建模塊被選擇以復(fù)制在天然黏性蛋白中識(shí)別出的特征。
研究團(tuán)隊(duì)隨后測量了這些粘合劑的強(qiáng)度，建立了訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)工具的數(shù)據(jù)庫，并利用這些結(jié)果指導(dǎo)另一輪機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到了強(qiáng)大的水下粘合劑。其中一款名為 R1-max 的水凝膠，能將一只橡皮鴨粘在海洋中的礁石上，在海浪擊打下仍能保持粘性并抵御潮水沖擊。另一種水凝膠 R2-max 能作為補(bǔ)丁，在注滿水的管道上封住的一個(gè)直徑 20 毫米的洞，這個(gè)補(bǔ)丁的防漏作用能維持 5 個(gè)月以上。
該研究開發(fā)的超強(qiáng)粘性水凝膠能夠牢固地粘附在不規(guī)則和潮濕的表面上，這可能會(huì)為許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來變革，包括假體涂層和可穿戴生物傳感器。這種水凝膠還可能在工業(yè)或環(huán)境領(lǐng)域中發(fā)揮作用，在這些領(lǐng)域中，潮濕條件下穩(wěn)定且牢固的粘附性至關(guān)重要。
更重要的是，這項(xiàng)研究表明，人工智能（AI）已不再只是被試探性地視為材料科學(xué)的一種工具--它已被用于改進(jìn)和輔助材料的設(shè)計(jì)與生成，正在積極改變科學(xué)家們開展研究的方式。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09269-4
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