近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘副教授范海龍聯(lián)合北海道大學(xué)教授龔劍萍等人在水凝膠領(lǐng)域取得重要突破。他們基于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)新性地提出了一種融合數(shù)據(jù)挖掘、仿生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)的“三位一體”設(shè)計(jì)策略，成功預(yù)測(cè)并開(kāi)發(fā)了水下粘附強(qiáng)度達(dá)到兆帕（MPa）級(jí)的超粘水凝膠。這一成果展示了一個(gè)從“仿生經(jīng)驗(yàn)”走向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的完整材料設(shè)計(jì)路徑。該成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)，并被選為當(dāng)期封面。范海龍為通訊作者之一。

設(shè)計(jì)凝膠與彈性體等軟材料是一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。這需要篩選合適的結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型與用量（如單體），并確定其在材料中的排布方式，由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)空間包含近乎無(wú)限的可能組合。更復(fù)雜的是，由于弱分子相互作用與熱漲落的共同影響，軟材料會(huì)呈現(xiàn)出精細(xì)的多尺度行為——其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系跨越多個(gè)時(shí)空尺度，其中介觀(guān)尺度結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集改變了具有明確原子結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)材料的發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)范式，實(shí)現(xiàn)了精確的性能預(yù)測(cè)并促進(jìn)設(shè)計(jì)空間的高效探索。然而由于軟材料存在復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，相關(guān)應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

本研究提出一種融合數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略，從頭設(shè)計(jì)適用于嚴(yán)苛水下環(huán)境的高性能粘附水凝膠。通過(guò)挖掘蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，本文開(kāi)發(fā)出描述符策略，利用理想共聚在聚合物鏈中統(tǒng)計(jì)復(fù)現(xiàn)蛋白質(zhì)序列模式，從而實(shí)現(xiàn)了水凝膠的定向設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)集構(gòu)建?；?80種仿生水凝膠的初始數(shù)據(jù)集，采用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化配方后獲得粘附強(qiáng)度的顯著提升，最高值突破1兆帕。這類(lèi)超強(qiáng)粘附水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程至深海探測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，標(biāo)志著軟材料數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的重要突破。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09269-4