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

凝膠冰雪

與此同時，來自北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的張凱教授和團隊，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)初的想法來源非常簡單。大約4年前，他收到學(xué)校發(fā)來的郵件，鼓勵教師們積極發(fā)揮研究優(yōu)勢服務(wù)2022年北京冬奧會、冬殘奧會。

他表示：“在學(xué)?？萍紙髧鈽s傳統(tǒng)的感染下，我深刻意識到作為在北京的科研團隊，應(yīng)該為北京冬奧會做點什么，為推廣冰雪文化助力。”

張凱在參加電視節(jié)目

另外，2008年北京奧運會時，張凱教授還在讀研究生，他曾在現(xiàn)場看過110米欄的比賽，奧運氛圍給其留下了深刻印象。作為生活在全球目前唯一一個雙奧之城北京的科研工作者，他想用實際行動參與進(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——水凝膠和冰雪運動結(jié)合，開發(fā)出了這款凝膠冰雪。目前，該材料已申請相關(guān)專利24項，授權(quán)9項。

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。在沒有高聚物網(wǎng)絡(luò)時，升溫后，冰晶會融化成水；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)用場景主要面向大眾型冰雪運動，因此在制作時，張凱教授團隊特意選擇了生物相容性高的材料，無毒無害、自然環(huán)保，用戶可以和它盡情親密。

針對凝膠冰雪材料的各項性能，張凱教授團隊經(jīng)過多年研究已開發(fā)出多種工藝配方，并形成一個完整的“材料-性能”數(shù)據(jù)庫。

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

根據(jù)不同的應(yīng)用場景，考慮凝膠冰雪在低溫—常溫—高溫3個階段的力學(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)余時間完成的。他們主要通過參加科創(chuàng)比賽、基于團隊已有基礎(chǔ)、利用創(chuàng)新思維來培育該項目。

此外，該校宇航學(xué)院和波動力學(xué)實驗室，都給張凱教授團隊提供了平臺支撐。

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動的特殊需求結(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、生物兼容性好且無毒無害的原材料，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，也不會融化、更不會變形；處于常溫下時，它優(yōu)異的力學(xué)性能保證自身不會被破壞；處于低溫時，則最接近天然冰的摩擦、硬度等力學(xué)屬性。

正和國家體育總局展開合作，未來有望應(yīng)用于軟機器人、運動診斷康復(fù)、極地聲學(xué)通訊等領(lǐng)域

該團隊參加相關(guān)比賽獲獎

凝膠冰雪，并不單單是冰雪。除了效力于民用冰雪運動領(lǐng)域之外，張凱教授說它還能在其他材料上“一魚多吃”。給凝膠冰雪引入具有光、電、磁等特性的元素，可實現(xiàn)更多功能。未來有望用于軟機器人、運動診斷康復(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多項專利，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

此外，凝膠冰雪團隊也積極參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類比賽，曾獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外科技作品競賽“科技冬奧”專項賽道特等獎、北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊二等獎、第六和第七屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”二等獎、納米之星北京賽區(qū)三等獎等省部級及以上獎勵五項。

目前，該團隊已和中國科學(xué)技術(shù)館、北京科學(xué)中心等單位合作開展過“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。

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

盡管凝膠冰雪并未用于2022北京冬奧會中。但他認(rèn)為：“以本屆冬奧會為契機，將凝膠冰雪推廣至大眾冰雪體育領(lǐng)域是我們團隊的發(fā)展目標(biāo)。我相信大家很快就能去現(xiàn)場體驗基于凝膠冰雪的冰雪運動了?！?/p>

事實上，一直以來冰雪運動參與者都屬于小眾人群。冬奧會的成功舉辦，將會促進(jìn)全民健身，帶動3億多民眾參與冰雪運動?！岸抑饕P(guān)注的是凝膠冰雪在大眾冰雪體育運動的推廣和普及。相比于傳統(tǒng)冰雪，凝膠冰雪具有不融化、制備及維護成本低、運輸方便等諸多優(yōu)勢?！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，在張凱教授團隊，除了凝膠冰雪已逐步邁向產(chǎn)業(yè)化，在他們團隊現(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)計方法，發(fā)展面向醫(yī)療和機器人領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。目前，仍有2個研究成果在未來有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

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

目前，相關(guān)成果已申請專利，并就試用和深入開發(fā)等方面與北京相關(guān)醫(yī)院開展了合作交流。

此外，憑借團隊的材料研發(fā)基礎(chǔ)和力學(xué)設(shè)計能力，張凱教授發(fā)展了一種智能拾取機器人，目前正進(jìn)行實驗室階段的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的對接。

該智能拾取機器人搭載了張凱教授團隊自主設(shè)計的抗擾軟抓手，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)備無法清理的場景，對區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的、智能化的清潔。日后，他還計劃把這種含有軟抓手的拾取機器人用于農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、安防等領(lǐng)域。

如今的成績，要從張凱教授做教職之前的博士論文說起，那篇論文曾獲得國家百篇論文優(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象，通過實驗、理論和計算模擬等方法，研究了這些天然多孔材料的剛度、強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及仿生優(yōu)化設(shè)計。

研究中，他發(fā)現(xiàn)了幾個特別有趣的事情。

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

其次，使用過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)計提供指導(dǎo)。

他表示：“當(dāng)時的研究，為我積累了關(guān)于材料測試、仿生設(shè)計和力學(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)和實踐經(jīng)驗?！?/p>

在未來，他將進(jìn)一步升級凝膠冰雪產(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)展適用于大眾體驗的冰場、冰壺、冰杯以及相應(yīng)文創(chuàng)產(chǎn)品。