永不融化的冰雪！研發『凝膠冰雪』新型材料，可用于運動診斷康復、極地聲學通訊等多場景

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采之外，開閉幕式上的24節氣短片、《折柳寄情》等中國元素和現代科技的結合，引得一片叫好。

凝膠冰雪

與此同時，來自北京理工大學宇航學院的張凱教授和團隊，以助力冬奧為初衷，研發出一款永不融化的凝膠冰雪。

據悉，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為水，而凝膠冰雪即使在高溫狀態下依然能夠保持固態的形態，永不融化。

張凱教授表示，當初的想法來源非常簡單。大約4年前，他收到學校發來的郵件，鼓勵教師們積極發揮研究優勢服務2022年北京冬奧會、冬殘奧會。

他表示：“在學校科技報國光榮傳統的感染下，我深刻意識到作為在北京的科研團隊，應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合，開發出了這款凝膠冰雪。目前，該材料已申請相關專利24項，授權9項。

凝膠冰雪的研發核心：調控微觀結構，有效“鎖住”水分子

親水的高聚物網絡，是凝膠冰雪不融化的奧秘所在。在設計和制備工藝上，這種親水的高聚物網絡是多種材料通過物理和化學手段交聯所得，且形成高分子網絡的材料多來源于天然生物材料。

需求不同，形成高聚物網絡所選取的材料和交聯方式也不相同。在沒有高聚物網絡時，升溫后，冰晶會融化成水；而在加入高聚物網絡后，即便冰晶融化成水，融化后的水也會被鎖在網絡里面"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，張凱教授團隊經過多年研究已開發出多種工藝配方，并形成一個完整的“材料-性能”數據庫。

舉例來說，建設平面冰壺場地和構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，因此對應的力學性質也會不同。

根據不同的應用場景，考慮凝膠冰雪在低溫—常溫—高溫3個階段的力學屬性，他們都可以根據現有材料和性能數據庫匹配最優凝膠冰雪材料及其制備工藝，進而確定材料體系。

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余時間完成的。他們主要通過參加科創比賽、基于團隊已有基礎、利用創新思維來培育該項目。

此外，該校宇航學院和波動力學實驗室，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就是將水凝膠與冰雪運動的特殊需求結合。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，為更加切合應用，就得考慮成本和使用環境的具體要求。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，是他遇到的挑戰和困難。

其表示，凝膠冰雪解決的基礎科學問題在于不同溫度下凝膠材料力學性能的多重調控，即處于高溫狀態的凝膠冰雪，也不會融化、更不會變形；處于常溫下時，它優異的力學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、硬度等力學屬性。

正和國家體育總局展開合作，未來有望應用于軟機器人、運動診斷康復、極地聲學通訊等領域

該團隊參加相關比賽獲獎

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，可實現更多功能。未來有望用于軟機器人、運動診斷康復、極地聲學通訊等領域的探索。

在版權布局上，張凱教授已就凝膠冰雪申請多項專利，擁有自主知識產權。

此外，凝膠冰雪團隊也積極參加創新創業類比賽，曾獲第十一屆“挑戰杯”首都大學生課外科技作品競賽“科技冬奧”專項賽道特等獎、北京市優秀創業團隊二等獎、第六和第七屆中國國際“互聯網+”二等獎、納米之星北京賽區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技術館、北京科學中心等單位合作開展過“科技冬奧”迎六一、科學嘉年華、冬奧主題展覽（目前正在展出）等活動。

他表示：“國家體育總局、北京市相關部門及多家企事業單位，正在積極與我們對接、共同推進該材料在冰雪體驗場、冰壺場地的應用推廣。”

盡管凝膠冰雪并未用于2022北京冬奧會中。但他認為：“以本屆冬奧會為契機，將凝膠冰雪推廣至大眾冰雪體育領域是我們團隊的發展目標。我相信大家很快就能去現場體驗基于凝膠冰雪的冰雪運動了。”

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，將會促進全民健身，帶動3億多民眾參與冰雪運動。“而我主要關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、運輸方便等諸多優勢。”張凱教授表示。

博士期間的科研訓練為凝膠冰雪的順利研發奠定了基礎

據了解，在張凱教授團隊，除了凝膠冰雪已逐步邁向產業化，在他們團隊現有研究方向，主要是基于新穎的材料的研發結合力學學科的多尺度設計方法，發展面向醫療和機器人領域的產業化。目前，仍有2個研究成果在未來有望實現產業化。

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

目前，相關成果已申請專利，并就試用和深入開發等方面與北京相關醫院開展了合作交流。

此外，憑借團隊的材料研發基礎和力學設計能力，張凱教授發展了一種智能拾取機器人，目前正進行實驗室階段的研發和產業化的對接。

該智能拾取機器人搭載了張凱教授團隊自主設計的抗擾軟抓手，并基于人工智能的剛柔結構控制方法，能深入傳統設備無法清理的場景，對區域進行精細的、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業、制造業、安防等領域。

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、結構穩定性及仿生優化設計。

研究中，他發現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，實現了圓形到六邊形的轉變。

其次，使用過的天然蜂窩里有著豐富且驚喜的微結構，這些微結構提升了蜂窩在使用過程中的力學性能和熱穩定性，以上現象此前從未有人報道。

于是張凱教授從該現象出發，建立了材料力學性能與多尺度結構的測試與表征，最終讓該研究為面向變溫環境下的多孔材料力學性能的新穎設計提供指導。

他表示：“當時的研究，為我積累了關于材料測試、仿生設計和力學理論的基礎，這都為后期凝膠冰雪材料的研發和產業化提供了豐富的理論指導和實踐經驗。”

在未來，他將進一步升級凝膠冰雪產品，以期同步推進凝膠冰雪在冰雪嘉年華和冰雪進校園活動中的應用。例如，在城市做小型“冰雪嘉年華”，以及基于凝膠冰雪材料發展適用于大眾體驗的冰場、冰壺、冰杯以及相應文創產品。