2022年2月20日，2022年北京冬奧會(huì)正式落幕。比賽期間，除見(jiàn)證各國(guó)奧運(yùn)健兒的風(fēng)采之外，開(kāi)閉幕式上的24節(jié)氣短片、《折柳寄情》等中國(guó)元素和現(xiàn)代科技的結(jié)合，引得一片叫好。

凝膠冰雪

與此同時(shí)，來(lái)自北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的張凱教授和團(tuán)隊(duì)，以助力冬奧為初衷，研發(fā)出一款永不融化的凝膠冰雪。

據(jù)悉，凝膠冰雪90%以上的成分都是水，但卻和自然冰雪具有相同的視感和觸感。它最大的“神奇”之處在于，升高溫度，自然冰雪可以迅速融化失型變?yōu)樗?，而凝膠冰雪即使在高溫狀態(tài)下依然能夠保持固態(tài)的形態(tài)，永不融化。

張凱教授表示，當(dāng)初的想法來(lái)源非常簡(jiǎn)單。大約4年前，他收到學(xué)校發(fā)來(lái)的郵件，鼓勵(lì)教師們積極發(fā)揮研究?jī)?yōu)勢(shì)服務(wù)2022年北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)。

他表示：“在學(xué)?？萍紙?bào)國(guó)光榮傳統(tǒng)的感染下，我深刻意識(shí)到作為在北京的科研團(tuán)隊(duì)，應(yīng)該為北京冬奧會(huì)做點(diǎn)什么，為推廣冰雪文化助力?！?/p>

張凱在參加電視節(jié)目

另外，2008年北京奧運(yùn)會(huì)時(shí)，張凱教授還在讀研究生，他曾在現(xiàn)場(chǎng)看過(guò)110米欄的比賽，奧運(yùn)氛圍給其留下了深刻印象。作為生活在全球目前唯一一個(gè)雙奧之城北京的科研工作者，他想用實(shí)際行動(dòng)參與進(jìn)去,感受奧林匹克的文明。

“一代材料、一代裝備”。在這樣的背景下，張凱教授將自己的研究方向——水凝膠和冰雪運(yùn)動(dòng)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了這款凝膠冰雪。目前，該材料已申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利24項(xiàng)，授權(quán)9項(xiàng)。

凝膠冰雪的研發(fā)核心：調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，有效“鎖住”水分子

親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)，是凝膠冰雪不融化的奧秘所在。在設(shè)計(jì)和制備工藝上，這種親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)是多種材料通過(guò)物理和化學(xué)手段交聯(lián)所得，且形成高分子網(wǎng)絡(luò)的材料多來(lái)源于天然生物材料。

需求不同，形成高聚物網(wǎng)絡(luò)所選取的材料和交聯(lián)方式也不相同。在沒(méi)有高聚物網(wǎng)絡(luò)時(shí)，升溫后，冰晶會(huì)融化成水；而在加入高聚物網(wǎng)絡(luò)后，即便冰晶融化成水，融化后的水也會(huì)被鎖在網(wǎng)絡(luò)里面"插翅難逃"。這意味著就算溫度升高，凝膠冰雪的形狀依然非常完整，永不融化。

由于凝膠冰雪的應(yīng)用場(chǎng)景主要面向大眾型冰雪運(yùn)動(dòng)，因此在制作時(shí)，張凱教授團(tuán)隊(duì)特意選擇了生物相容性高的材料，無(wú)毒無(wú)害、自然環(huán)保，用戶可以和它盡情親密。

針對(duì)凝膠冰雪材料的各項(xiàng)性能，張凱教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究已開(kāi)發(fā)出多種工藝配方，并形成一個(gè)完整的“材料-性能”數(shù)據(jù)庫(kù)。

舉例來(lái)說(shuō)，建設(shè)平面冰壺場(chǎng)地和構(gòu)建立體雕塑所使用的凝膠冰雪材料，各自對(duì)于承重能力的要求肯定不一樣，因此對(duì)應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)不同。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，考慮凝膠冰雪在低溫—常溫—高溫3個(gè)階段的力學(xué)屬性，他們都可以根據(jù)現(xiàn)有材料和性能數(shù)據(jù)庫(kù)匹配最優(yōu)凝膠冰雪材料及其制備工藝，進(jìn)而確定材料體系。

凝膠冰雪

張凱教授表示，該工作主要由他和左磊博士、以及幾名研究生利用業(yè)余時(shí)間完成的。他們主要通過(guò)參加科創(chuàng)比賽、基于團(tuán)隊(duì)已有基礎(chǔ)、利用創(chuàng)新思維來(lái)培育該項(xiàng)目。

此外，該校宇航學(xué)院和波動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，都給張凱教授團(tuán)隊(duì)提供了平臺(tái)支撐。

研究中，張凱教授遇到的最大挑戰(zhàn)就是將水凝膠與冰雪運(yùn)動(dòng)的特殊需求結(jié)合。通常研究中的水凝膠樣品尺寸都比較小，但在實(shí)際使用中尺寸必須得更大。

此外，為更加切合應(yīng)用，就得考慮成本和使用環(huán)境的具體要求。因此，如何制備大尺寸的材料、如何選擇成本低廉、生物兼容性好且無(wú)毒無(wú)害的原材料，是他遇到的挑戰(zhàn)和困難。

其表示，凝膠冰雪解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題在于不同溫度下凝膠材料力學(xué)性能的多重調(diào)控，即處于高溫狀態(tài)的凝膠冰雪，也不會(huì)融化、更不會(huì)變形；處于常溫下時(shí)，它優(yōu)異的力學(xué)性能保證自身不會(huì)被破壞；處于低溫時(shí)，則最接近天然冰的摩擦、硬度等力學(xué)屬性。

正和國(guó)家體育總局展開(kāi)合作，未來(lái)有望應(yīng)用于軟機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)診斷康復(fù)、極地聲學(xué)通訊等領(lǐng)域

該團(tuán)隊(duì)參加相關(guān)比賽獲獎(jiǎng)

凝膠冰雪，并不單單是冰雪。除了效力于民用冰雪運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域之外，張凱教授說(shuō)它還能在其他材料上“一魚(yú)多吃”。給凝膠冰雪引入具有光、電、磁等特性的元素，可實(shí)現(xiàn)更多功能。未來(lái)有望用于軟機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)診斷康復(fù)、極地聲學(xué)通訊等領(lǐng)域的探索。

在版權(quán)布局上，張凱教授已就凝膠冰雪申請(qǐng)多項(xiàng)專(zhuān)利，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

此外，凝膠冰雪團(tuán)隊(duì)也積極參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類(lèi)比賽，曾獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽“科技冬奧”專(zhuān)項(xiàng)賽道特等獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)二等獎(jiǎng)、第六和第七屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”二等獎(jiǎng)、納米之星北京賽區(qū)三等獎(jiǎng)等省部級(jí)及以上獎(jiǎng)勵(lì)五項(xiàng)。

目前，該團(tuán)隊(duì)已和中國(guó)科學(xué)技術(shù)館、北京科學(xué)中心等單位合作開(kāi)展過(guò)“科技冬奧”迎六一、科學(xué)嘉年華、冬奧主題展覽（目前正在展出）等活動(dòng)。

他表示：“國(guó)家體育總局、北京市相關(guān)部門(mén)及多家企事業(yè)單位，正在積極與我們對(duì)接、共同推進(jìn)該材料在冰雪體驗(yàn)場(chǎng)、冰壺場(chǎng)地的應(yīng)用推廣?！?/p>

盡管凝膠冰雪并未用于2022北京冬奧會(huì)中。但他認(rèn)為：“以本屆冬奧會(huì)為契機(jī)，將凝膠冰雪推廣至大眾冰雪體育領(lǐng)域是我們團(tuán)隊(duì)的發(fā)展目標(biāo)。我相信大家很快就能去現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)基于凝膠冰雪的冰雪運(yùn)動(dòng)了?！?/p>

事實(shí)上，一直以來(lái)冰雪運(yùn)動(dòng)參與者都屬于小眾人群。冬奧會(huì)的成功舉辦，將會(huì)促進(jìn)全民健身，帶動(dòng)3億多民眾參與冰雪運(yùn)動(dòng)?！岸抑饕P(guān)注的是凝膠冰雪在大眾冰雪體育運(yùn)動(dòng)的推廣和普及。相比于傳統(tǒng)冰雪，凝膠冰雪具有不融化、制備及維護(hù)成本低、運(yùn)輸方便等諸多優(yōu)勢(shì)?！睆垊P教授表示。

博士期間的科研訓(xùn)練為凝膠冰雪的順利研發(fā)奠定了基礎(chǔ)

據(jù)了解，在張凱教授團(tuán)隊(duì)，除了凝膠冰雪已逐步邁向產(chǎn)業(yè)化，在他們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究方向，主要是基于新穎的材料的研發(fā)結(jié)合力學(xué)學(xué)科的多尺度設(shè)計(jì)方法，發(fā)展面向醫(yī)療和機(jī)器人領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。目前，仍有2個(gè)研究成果在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

首先，基于和凝膠冰雪類(lèi)似的材料體系，張凱教授發(fā)展了面向超聲醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的水凝膠導(dǎo)聲墊。該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的水凝膠超聲導(dǎo)聲墊，具有承力性好、不易流動(dòng)、不產(chǎn)生醫(yī)療廢棄物等優(yōu)勢(shì)，能夠替代傳統(tǒng)耦合劑，在提升超聲成像精度的同時(shí)帶給患者更好的醫(yī)療體驗(yàn)，未來(lái)有望應(yīng)用于手指、手肘、膝蓋等高曲率部位的超聲醫(yī)療檢測(cè)。

目前，相關(guān)成果已申請(qǐng)專(zhuān)利，并就試用和深入開(kāi)發(fā)等方面與北京相關(guān)醫(yī)院開(kāi)展了合作交流。

此外，憑借團(tuán)隊(duì)的材料研發(fā)基礎(chǔ)和力學(xué)設(shè)計(jì)能力，張凱教授發(fā)展了一種智能拾取機(jī)器人，目前正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的對(duì)接。

該智能拾取機(jī)器人搭載了張凱教授團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的抗擾軟抓手，并基于人工智能的剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)控制方法，能深入傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法清理的場(chǎng)景，對(duì)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的、智能化的清潔。日后，他還計(jì)劃把這種含有軟抓手的拾取機(jī)器人用于農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、安防等領(lǐng)域。

如今的成績(jī)，要從張凱教授做教職之前的博士論文說(shuō)起，那篇論文曾獲得國(guó)家百篇論文優(yōu)秀博士論文提名。

該論文以天然蜂窩和不同尺度的人工管束材料為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算模擬等方法，研究了這些天然多孔材料的剛度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)。

研究中，他發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)特別有趣的事情。

首先，天然蜂窩剛剛建造出來(lái)時(shí)不是大家熟知的六邊形而是圓形，它是通過(guò)溫度作用下的材料相變作用下，實(shí)現(xiàn)了圓形到六邊形的轉(zhuǎn)變。

其次，使用過(guò)的天然蜂窩里有著豐富且驚喜的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)提升了蜂窩在使用過(guò)程中的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，以上現(xiàn)象此前從未有人報(bào)道。

于是張凱教授從該現(xiàn)象出發(fā)，建立了材料力學(xué)性能與多尺度結(jié)構(gòu)的測(cè)試與表征，最終讓該研究為面向變溫環(huán)境下的多孔材料力學(xué)性能的新穎設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

他表示：“當(dāng)時(shí)的研究，為我積累了關(guān)于材料測(cè)試、仿生設(shè)計(jì)和力學(xué)理論的基礎(chǔ)，這都為后期凝膠冰雪材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供了豐富的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?！?/p>

在未來(lái)，他將進(jìn)一步升級(jí)凝膠冰雪產(chǎn)品，以期同步推進(jìn)凝膠冰雪在冰雪嘉年華和冰雪進(jìn)校園活動(dòng)中的應(yīng)用。例如，在城市做小型“冰雪嘉年華”，以及基于凝膠冰雪材料發(fā)展適用于大眾體驗(yàn)的冰場(chǎng)、冰壺、冰杯以及相應(yīng)文創(chuàng)產(chǎn)品。