北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在純水系抗凍水凝膠材料助力機(jī)器人低溫觸覺識(shí)別領(lǐng)域取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-08-22 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授課題組在仿生純水系抗凍水凝膠材料助力機(jī)器人低溫觸覺識(shí)別領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。2025年8月，相關(guān)研究成果以“Bioinspired Anti-Freezing Hydrogel With Localized Ice Regulation for Subzero Soft Robotics”為題在國(guó)際知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表。北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授為論文通訊作者，博士生杜宏中和陳笑非教授為論文的共同第一作者。
當(dāng)前防凍水凝膠在低溫應(yīng)用中面臨核心矛盾：傳統(tǒng)鹽類或有機(jī)冷凍劑雖能降低冰點(diǎn)，卻破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)力學(xué)完整性，且存在生物毒性風(fēng)險(xiǎn)；而單純模擬冰結(jié)合蛋白（IBP）抑制冰生長(zhǎng)的方法，在極端低溫下抗凍效果有限。更關(guān)鍵的是，一旦冰成核發(fā)生，失控的冰晶生長(zhǎng)將直接損毀材料，導(dǎo)致凍融穩(wěn)定性差。因此，同時(shí)調(diào)控冰成核與生長(zhǎng)成為開發(fā)長(zhǎng)效抗凍水凝膠的核心挑戰(zhàn)。
受耐凍生物"局部促進(jìn)成核并限制冰晶生長(zhǎng)"策略啟發(fā)，北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授課題組創(chuàng)新性地融合細(xì)菌膜錨定冰核蛋白（BMIP）與IBP，開發(fā)出純水基抗凍水凝膠。該材料在-30℃保持非凍結(jié)狀態(tài)，拉伸強(qiáng)度達(dá)22MPa、斷裂應(yīng)變140%，歷經(jīng)40次凍融循環(huán)仍維持結(jié)構(gòu)完整。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其作為機(jī)器人觸覺傳感器可精準(zhǔn)識(shí)別物體剛度與尺寸，為極端環(huán)境人機(jī)交互提供新平臺(tái)。
圖1揭示該水凝膠的協(xié)同抗凍機(jī)制：BMIP在微球（BGEL）內(nèi)促進(jìn)冰早期成核，而IBP吸附于冰晶表面抑制生長(zhǎng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，普通聚(丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸)（PAMAC）凝膠在-30℃脆化（圖1b），冰晶6秒內(nèi)蔓延整個(gè)網(wǎng)絡(luò)（圖1d）；而含BGEL的樣品低溫下保持柔性（圖1c），冰晶3600秒內(nèi)被限制在微球內(nèi)（圖1e），實(shí)現(xiàn)"冰晶局部化"。
圖1 純水系抗凍水凝膠的設(shè)計(jì)及其冰晶調(diào)控策略。
圖2通過(guò)低溫共聚焦顯微鏡（CLSM）與微拉曼光譜證實(shí)：在-30℃時(shí)，普通PAMAC凝膠整體凍結(jié)（紅色熒光，圖2a），而含BGEL樣品僅微球內(nèi)結(jié)冰（藍(lán)色熒光，圖2b），基質(zhì)保持液態(tài)。拉曼光譜中BGEL區(qū)域在-30℃出現(xiàn)OD鍵紅移（2280 cm?1），表明冰晶形成（圖2c）；PAMAC基質(zhì)譜線不變，驗(yàn)證其未凍結(jié)狀態(tài)。差示掃描量熱（DSC）曲線顯示，BGEL將冰結(jié)晶起始溫度提升至-8℃（圖2d）。
圖2 水凝膠抗凍機(jī)理的驗(yàn)證。
圖3對(duì)比了低溫力學(xué)行為：普通PAMAC在-30℃斷裂應(yīng)變驟降至7%（圖3a-b），動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）顯示其儲(chǔ)能模量飆升至1GPa（近冰的剛性，圖3c）；而含BGEL樣品在-30℃仍保持138%延展性（圖3d-e），儲(chǔ)能模量?jī)H26MPa（圖3f），證明基質(zhì)未凍結(jié)。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明10wt% BGEL含量使拉伸強(qiáng)度達(dá)21.7MPa。
圖3 抗凍水凝膠的機(jī)械性能。
圖4揭示BGEL的長(zhǎng)期保護(hù)作用：普通PAMAC經(jīng)40次凍融后結(jié)構(gòu)碎裂（圖4a），斷裂強(qiáng)度波動(dòng)超50%（圖4b-d）；而含BGEL樣品形態(tài)完好（圖4a），力學(xué)性能幾乎無(wú)衰減（圖4e-g）。
圖4 抗凍水凝膠的凍融循環(huán)性能。
圖5證實(shí)該水凝膠的導(dǎo)電穩(wěn)定性：1wt% NaCl添加使電導(dǎo)率在-30℃達(dá)2.6 mS·cm?1（圖5b），歸功于離子在未凍結(jié)基質(zhì)中的遷移（圖5a）?；诖说膫鞲衅髟?30℃壓力響應(yīng)穩(wěn)定（圖5d-e），40次凍融后性能不變（圖5f-g）。雷達(dá)圖顯示其綜合性能（強(qiáng)度、凍融穩(wěn)定性、含水率）超越傳統(tǒng)抗凍凝膠（圖5h）。
圖5 抗凍水凝膠的低溫傳感性能。
圖6展示實(shí)際應(yīng)用：集成水凝膠傳感器的機(jī)械手在-30℃抓取物體（圖6a-b），通過(guò)響應(yīng)時(shí)間識(shí)別剛度（海綿/硅膠/金屬準(zhǔn)確率>97%，圖6d-e），通過(guò)激活傳感器數(shù)量判別尺寸（100%準(zhǔn)確，圖6f-g）。結(jié)合深度學(xué)習(xí)（圖6c），系統(tǒng)成功實(shí)時(shí)識(shí)別8cm3海綿立方體（圖6h）。
圖6 抗凍水凝膠在低溫下與機(jī)器人結(jié)合進(jìn)行物體軟硬和尺寸的識(shí)別。
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