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  面向海洋工程與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用，水下粘附材料的性能突破已成為材料科學(xué)與工程技術(shù)交叉融合的核心議題。這種材料必須在復(fù)雜水環(huán)境中完成穩(wěn)定、可重復(fù)、持久的粘接。無(wú)論是海洋工程、艦船裝備、還是創(chuàng)傷封合、血管修復(fù)，水下粘附材料都是不可替代的關(guān)鍵支撐技術(shù)。但長(zhǎng)期以來(lái)，這類(lèi)材料的開(kāi)發(fā)依賴(lài)的是經(jīng)驗(yàn)積累與仿生靈感，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計(jì)原則。特別是在水凝膠等軟物質(zhì)體系中，復(fù)雜的鏈結(jié)構(gòu)、多尺度響應(yīng)和非線性行為使得性能難以預(yù)測(cè)，連AI都很難發(fā)揮作用。

  近日，北海道大學(xué)龔劍萍教授、范海龍副教授團(tuán)隊(duì)在水下粘附材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以“Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels”為題近日發(fā)表在Nature上，并選為封面。北海道大學(xué)龔劍萍教授、范海龍副教授（現(xiàn)深圳大學(xué)副教授）、瀧川一學(xué)（Ichigaku Takigawa）教授、李偉博士（現(xiàn)蘇州實(shí)驗(yàn)室研究員）為共同通訊作者，博士生廖鴻廣和胡晟博士（現(xiàn)大阪大學(xué)助理教授）為共同第一作者。

  該工作依托大規(guī)模蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了一套集“數(shù)據(jù)挖掘、仿生合成與機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化”于一體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)框架，成功開(kāi)發(fā)出粘附強(qiáng)度突破兆帕級(jí)的超強(qiáng)水下水凝膠，標(biāo)志著從“仿生啟發(fā)”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的高分子功能材料設(shè)計(jì)路徑實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵躍遷。

圖1：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的水下粘附水凝膠設(shè)計(jì)策略

  該團(tuán)隊(duì)的切入點(diǎn)，來(lái)自自然界的啟發(fā)。海洋生物如貽貝、藤壺等，能在潮濕、富鹽環(huán)境中穩(wěn)穩(wěn)粘住巖石，靠的是它們體內(nèi)演化出的粘附蛋白。這些蛋白在分子層面擁有特殊的序列模式，使其在水中依然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定錨定。

  研究團(tuán)隊(duì)在之前的研究工作中就通過(guò)仿照藤壺等粘附蛋白的特征序列，合成出了一系列高性能的水下粘附水凝膠。相關(guān)研究發(fā)表于Nat. Commun., 2019, 10, 5127（高被引）；PNAS, 2022, 119, e2206685119；Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2009334（高被引）等國(guó)際頂級(jí)期刊上。

  但這次他們走得更遠(yuǎn)。他們不再盯住某一種蛋白，而是決定“把整個(gè)自然界的粘附蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)都讀一遍”。他們從NCBI公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取了2萬(wàn)多條“adhesive protein”相關(guān)序列，覆蓋3800多個(gè)物種。通過(guò)多序列比對(duì)，提取出各物種粘附蛋白的共有序列片段。再根據(jù)氨基酸的功能屬性，將20種殘基分為6類(lèi)功能單元，并統(tǒng)計(jì)其在序列中的相鄰組合頻率，最終形成了一套可轉(zhuǎn)化為聚合物單體比例的“仿生組分配方庫(kù)”。

圖2：粘蛋白的數(shù)據(jù)挖掘

  研究人員選取6種可理想共聚的功能單體，按照這些“自然配方”合成了180種水凝膠，其中不少樣品的水下粘附強(qiáng)度就已超越現(xiàn)有文獻(xiàn)平均水平。

  下一步，他們將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)喂入AI模型——包括高斯過(guò)程（GP）和隨機(jī)森林（RFR）回歸，采用順序模型優(yōu)化算法（SMBO）進(jìn)行配方推薦。模型不僅回顧性地?cái)M合已有數(shù)據(jù)，更外推出新組合。

圖3：仿生粘附水凝膠的合成

圖4：基于機(jī)器學(xué)習(xí)的粘附性能優(yōu)化

  他們用這些模型推薦的配方又合成并測(cè)試了百余種新水凝膠，最終得到了一系列水下粘附強(qiáng)度超1 MPa的超級(jí)水凝膠，粘得住玻璃、金屬、骨頭、塑料，甚至能粘住海水沖刷下的巖石。

  在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，他們利用一塊薄薄的凝膠將一只橡皮鴨牢牢粘在海邊巖石上，抵御潮汐和風(fēng)浪——這幅照片也成為了《Nature》的當(dāng)期封面。此外，團(tuán)隊(duì)還展示了水凝膠在水管漏水封堵等實(shí)際場(chǎng)景中的表現(xiàn)。封堵實(shí)驗(yàn)中，水凝膠能在3米水柱底部高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)瞬間止漏。

圖5：一系列水下粘附水凝膠的性能表征

圖6：一系列水下粘附水凝膠的性能展示

  從自然數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法解析“進(jìn)化規(guī)則”，再在合成聚合物中構(gòu)建等價(jià)序列結(jié)構(gòu)，并借助AI模型優(yōu)化性能邊界——這是一條從蛋白序列到材料性能的完整閉環(huán)。這項(xiàng)研究所展示的，不只是一個(gè)凝膠如何“粘得更牢”，而是一個(gè)軟材料智能設(shè)計(jì)的全新方向。它證明了：即使面對(duì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、變量眾多的軟物質(zhì)系統(tǒng)，只要構(gòu)建出合理的描述空間，也能讓AI在其中找到秩序，釋放出真正的設(shè)計(jì)潛力。

論文部分作者簡(jiǎn)介

龔劍萍，北海道大學(xué)教授。畢業(yè)于浙江大學(xué)，獲得電子物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，后在日本茨城大學(xué)獲得高分子科學(xué)碩士學(xué)位。在東京工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)了兩年高溫超導(dǎo)體，并獲得了工學(xué)博士學(xué)位。自1993年以來(lái)一直在北海道大學(xué)從事高分子科學(xué)研究，并獲得了高分子科學(xué)博士學(xué)位。曾獲得多項(xiàng)科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2023年美國(guó)物理學(xué)會(huì)高分子物理獎(jiǎng)、2022年日本化學(xué)會(huì)獎(jiǎng)、2021年第33屆日本橡膠學(xué)會(huì)獎(jiǎng)、2019年文部科學(xué)省科學(xué)技術(shù)表彰獎(jiǎng)、2014年帝斯曼材料科學(xué)獎(jiǎng)、2011年日本化學(xué)會(huì)創(chuàng)造性工作獎(jiǎng)、2006年日本高分子學(xué)會(huì)獎(jiǎng)以及2001年Wiley高分子科學(xué)獎(jiǎng)。擔(dān)任Biointerphases、Asia Materials、Soft Matter、Mechanics of Soft Materials、Advanced Materials、Giant和Materials Horizons等期刊的編委和顧問(wèn)委員會(huì)成員。主要研究興趣為水凝膠、彈性體等軟物質(zhì)材料的化學(xué)物理特性研究。

范海龍，深圳大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘副教授，博士生導(dǎo)師。2017年于中國(guó)人民大學(xué)獲博士學(xué)位，同年9月赴日本北海道大學(xué)龔劍萍教授課題組開(kāi)展博士后研究工作，2020年獲聘北海道大學(xué)助理教授，2022年獲聘北海道大學(xué)副教授，2025年3月加入深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院。以第一作者或通訊作者在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)、Advanced Functional Materials、Macromolecules等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，其中6篇為高被引論文；論文總引用次數(shù)超過(guò)4000次。申請(qǐng)國(guó)際專(zhuān)利5項(xiàng)。先后主持日本學(xué)術(shù)振興會(huì)基金2項(xiàng)（國(guó)家級(jí)）。獲日本高分子學(xué)會(huì)頒發(fā)的高分子研究獎(jiǎng)勵(lì)獎(jiǎng)（2021年度）。主要研究興趣為基于高分子序列分布調(diào)控的功能軟物質(zhì)材料開(kāi)發(fā)。

李偉，蘇州實(shí)驗(yàn)室研究員。2007年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)凝聚態(tài)物理專(zhuān)業(yè)，2012年獲美國(guó)理海大學(xué)物理學(xué)博士。隨后在美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)、田納西大學(xué)以及日本北海道大學(xué)從事博士后研究，合作導(dǎo)師包括Glenn H. Fredrickson三院院士，Monica Olvera de la Cruz三院院士，Michael Rubinstein教授和龔劍萍教授等。2024年7月加入蘇州實(shí)驗(yàn)室前沿材料研究部。主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧隙喑叨扔?jì)算模擬與理性設(shè)計(jì)，已在Nature、Nature Materials、Advanced Science、Macromolecules、ACS Macro Letters等國(guó)際期刊發(fā)表論文45篇。擔(dān)任中國(guó) “高分子三刊”——Chinese Journal of Polymer Science（CJPS）、《高分子學(xué)報(bào)》和《高分子通報(bào)》的聯(lián)合青年編委。項(xiàng)目組擬長(zhǎng)期招聘高分子計(jì)算、多尺度模擬和人工智能輔助材料設(shè)計(jì)等方向的助理研究員、博士后、項(xiàng)目制研究生以及科研助理，誠(chéng)邀有志于從事相關(guān)方向的科研人員加入（請(qǐng)郵件聯(lián)系：liw@szlab.ac.cn）。

胡晟，現(xiàn)任大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)AI中心特聘助理教授。2019年于名古屋大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)研究室獲得信息科學(xué)博士學(xué)位，隨后在京都大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)研究室擔(dān)任博士后研究員。2020年任北海道大學(xué)特聘助理教授，2024年起轉(zhuǎn)任大阪大學(xué)特聘助理教授。他于2018年獲日本數(shù)據(jù)工程學(xué)學(xué)會(huì)Rakesh Agrawal獎(jiǎng)，2019年獲日本電子情報(bào)通信學(xué)會(huì)年度論文獎(jiǎng)。曾擔(dān)任ACM KDD、The Web Conference、ACM Multimedia、IEEE TKDE 等多個(gè)國(guó)際數(shù)據(jù)工程與數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議及期刊的審稿人。研究方向包括統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)與機(jī)器發(fā)現(xiàn)算法，尤其關(guān)注時(shí)間序列數(shù)據(jù)與分子圖數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)、化學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用。

廖鴻廣，現(xiàn)日本北海道大學(xué)在讀博士生。于2017年和2020年在中國(guó)人民大學(xué)分別獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，師從王亞培教授；此后2021年起在北海道大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從龔劍萍教授。目前致力于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿生水凝膠設(shè)計(jì)，水下粘附材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

  論文信息
  Data-Driven De Novo Design of Super-Adhesive Hydrogels

  Hongguang Liao, Sheng Hu, Hu Yang, Lei Wang, Shinya Tanaka, Ichigaku Takigawa*, Wei Li*, Hailong Fan*, Jian Ping Gong*

  Published in Nature, 2025, 644, 47-48

  https://www.nature.com/articles/s41586-025-09269-4