【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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，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；而單純模擬冰結(jié)合蛋白(IBP)抑制冰生長的方法，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，失控的冰晶生長將直接損毀材料，導(dǎo)致凍融穩(wěn)定性差。因此，同時調(diào)控冰成核與生長成為開發(fā)長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"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)識別物體剛度與尺寸，為極端環(huán)境人機(jī)交互提供新平臺。
 

　　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。對比實驗顯示，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)，實現(xiàn)"冰晶局部化"。
 

圖1 純水系抗凍水凝膠的設(shè)計及其冰晶調(diào)控策略。
 

　　圖2通過低溫共聚焦顯微鏡(CLSM)與微拉曼光譜證實：在-30℃時，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)理的驗證。
 

　　圖3對比了低溫力學(xué)行為：普通PAMAC在-30℃斷裂應(yīng)變驟降至7%(圖3a-b)，動態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)顯示其儲能模量飆升至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)，儲能模量僅26MPa(圖3f)，證明基質(zhì)未凍結(jié)。優(yōu)化實驗表明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)性能幾乎無衰減(圖4e-g)。
 

圖4 抗凍水凝膠的凍融循環(huán)性能。
 

　　圖5證實該水凝膠的導(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)，通過響應(yīng)時間識別剛度(海綿/硅膠/金屬準(zhǔn)確率>97%，圖6d-e)，通過激活傳感器數(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)成功實時識別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別。