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2 月 20 日，2022 年北京冬奥会正式落幕。比赛期间，除见证各国奥运健儿的风采之外，开闭幕式上的 24 节气短片、《折柳寄情》等中国元素和现代科技的结合，引得一片叫好。
图 | 凝胶冰雪（来源：张凯）
与此同时，来自北京理工大学宇航学院的张凯教授和团队，以助力冬奥为初衷，研发出一款永不融化的凝胶冰雪。
（来源：张凯）
据悉，凝胶冰雪 90% 以上的成分都是水，但却和自然冰雪具有相同的视感和触感。它最大的“神奇”之处在于，升高温度，自然冰雪可以迅速融化失型变为水，而凝胶冰雪即使在高温状态下依然能够保持固态的形态，永不融化。
（来源：张凯）
张凯教授表示，当初的想法来源非常简单。大约四年前，他收到学校发来的邮件，鼓励教师们积极发挥研究优势服务 2022 北京冬奥会、冬残奥会。
他表示：“在学校科技报国光荣传统的感染下，我深刻意识到作为在北京的科研团队，应该为北京冬奥会做点什么，为推广冰雪文化助力。”
（来源：张凯）
另外，2008 年北京奥运会时，张凯教授还在读研究生，他曾在现场看过 110 米栏的比赛，奥运氛围给其留下了深刻印象。作为生活在全球目前唯一一个双奥之城北京的科研工作者，他想用实际行动参与进去, 感受奥林匹克的文明。
图 | 张凯在参加电视节目（来源：张凯）
"一代材料、一代装备"。在这样的背景下，张凯教授将自己的研究方向——水凝胶和冰雪运动结合，开发出了这款凝胶冰雪。目前，该材料已申请相关专利 24 项，授权 9 项。
（来源：张凯）
凝胶冰雪的研发核心：调控微观结构，有效“锁住”水分子
亲水的高聚物网络，是凝胶冰雪不融化的奥秘所在。在设计和制备工艺上，这种亲水的高聚物网络是多种材料通过物理和化学手段交联所得，且形成高分子网络的材料多来源于天然生物材料。
（来源：张凯）
需求不同，形成高聚物网络所选取的材料和交联方式也不相同。在没有高聚物网络时，升温后，冰晶会融化成水；而在加入高聚物网络后，即便冰晶融化成水，融化后的水也会被锁在网络里面"插翅难逃"。这意味着就算温度升高，凝胶冰雪的形状依然非常完整，永不融化。
视频 | 凝胶冰雪（来源：张凯）
由于凝胶冰雪的应用场景主要面向大众型冰雪运动，因此在制作时，张凯教授团队特意选择了生物相容性高的材料，无毒无害、自然环保，用户可以和它尽情亲密。
针对凝胶冰雪材料的各项性能，张凯教授团队经过多年研究已开发出多种工艺配方，并形成一个完整的"材料-性能"数据库。
举例来说，建设平面冰壶场地和构建立体雕塑所使用的凝胶冰雪材料，各自对于承重能力的要求肯定不一样，因此对应的力学性质也会不同。
根据不同的应用场景，考虑凝胶冰雪在低温-常温-高温三个阶段的力学属性，他们都可以根据现有材料-性能数据库匹配最优凝胶冰雪材料及其制备工艺，进而确定材料体系。
张凯教授表示，该工作主要由他和左磊博士、以及几名研究生利用业余时间完成的。他们主要通过参加科创比赛、基于团队已有基础、利用创新思维来培育该项目。
此外，该校宇航学院和波动力学实验室，都给张凯教授团队提供了平台支撑。
研究中，张凯教授遇到的最大挑战就是将水凝胶与冰雪运动的特殊需求结合。通常研究中的水凝胶样品尺寸都比较小，但在实际使用中尺寸必须得更大。
此外，为更加切合应用，就得考虑成本和使用环境的具体要求。因此，如何制备大尺寸的材料、如何选择成本低廉、生物兼容性好且无毒无害的原材料，是他遇到的挑战和困难。
其表示，凝胶冰雪解决的基础科学问题在于不同温度下凝胶材料力学性能的多重调控，即处于高温状态的凝胶冰雪，也不会融化、更不会变形；处于常温下时，它优异的力学性能保证自身不会被破坏；处于低温时，则最接近天然冰的摩擦、硬度等力学属性。
正和国家体育总局展开合作，未来有望应用于软机器人、运动诊断康复、极地下声学通讯等领域
凝胶冰雪，并不单单是冰雪。除了效力于民用冰雪运动领域之外，张凯教授说它还能在其他材料上"一鱼多吃"。给凝胶冰雪引入具有光、电、磁等特性的元素，可实现更多功能。未来有望用于软机器人、运动诊断康复、极地下声学通讯等领域的探索。
在版权布局上，张凯教授已就凝胶冰雪申请多项专利，拥有自主知识产权。
此外，凝胶冰雪团队也积极参加创新创业类比赛，曾获第十一届"挑战杯"首都大学生课外科技作品竞赛"科技冬奥"专项赛道特等奖、北京市优秀创业团队二等奖、第六&七届中国国际"互联网"+二等奖、纳米之星北京赛区三等奖等省部级及以上奖励 5 项。
图 | 该团队参加相关比赛获奖（该团队）
目前，该团队已和中国科学技术馆、北京科学中心等单位合作开展过"科技冬奥"迎六一、科学嘉年华、冬奥主题展览（目前正在展出）等活动。
他表示："国家体育总局、北京市相关部门及多家企事业单位，正在积极与我们对接、共同推进该材料在冰雪体验场、冰壶场地的应用推广。"
尽管凝胶冰雪并未用于 2022 北京冬奥会中。但他认为："以本届冬奥会为契机，将凝胶冰雪推广至大众冰雪体育领域是我们团队的发展目标。我相信大家很快就能去现场体验基于凝胶冰雪的冰雪运动了。"
事实上，一直以来冰雪运动参与者都属于小众人群。冬奥会的成功举办，将会促进全民健身，带动 3 亿多民众参与冰雪运动。"而我主要关注的是凝胶冰雪在大众冰雪体育运动的推广和普及。
相比于传统冰雪，凝胶冰雪具有不融化、制备及维护成本低、运输方便等诸多优势。”张凯教授表示。
博士期间的科研训练为凝胶冰雪的顺利研发奠定了基础
据了解，在张凯教授团队，除了凝胶冰雪已逐步迈向产业化，在他们团队现有研究方向，主要是基于新颖的材料的研发结合力学学科的多尺度设计方法，发展面向医疗和机器人领域的产业化。目前，仍有 2 个研究成果在未来有望实现产业化。
首先，基于和凝胶冰雪类似的材料体系，张凯教授发展了面向超声医疗检测领域的水凝胶导声垫。该团队自主研发的水凝胶超声导声垫，具有承力性好、不易流动、不产生医疗废弃物等优势，能够替代传统耦合剂，在提升超声成像精度的同时带给患者更好的医疗体验，未来有望应用于手指、手肘、膝盖等高曲率部位的超声医疗检测。
目前，相关成果已申请专利，并就试用和深入开发等方面与北京相关医院开展了合作交流。
此外，凭借团队的材料研发基础和力学设计能力，张凯教授发展了一种智能拾取机器人，目前正进行实验室阶段的研发和产业化的对接。
该智能拾取机器人搭载了张凯教授团队自主设计的抗扰软抓手，并基于人工智能的刚柔结构控制方法，能深入传统设备无法清理的场景，对区域进行精细的、智能化的清洁。日后，他还计划把这种含有软抓手的拾取机器人用于农业、制造业、安防等领域。
如今的成绩，要从张凯教授做教职之前的博士论文说起，那篇论文曾获得国百篇论文优秀博士论文提名。
该论文以天然蜂窝和不同尺度的人工管束材料为研究对象，通过实验、理论和计算模拟等方法，研究了这些天然多孔材料的刚度、强度、结构稳定性及仿生优化设计。
研究中，他发现了几个特别有趣的事情。
首先，天然蜂窝刚刚建造出来时不是大家熟知的六边形而是圆形，它是通过温度作用下的材料相变作用下，实现了圆形到六边形的转变。
其次，使用过的天然蜂窝里有着丰富且惊喜的微结构，这些微结构提升了蜂窝在使用过程中的力学性能和热稳定性，以上现象此前从未有人报道。
于是张凯教授从该现象出发，建立了材料力学性能与多尺度结构的测试与表征，最终让该研究为面向变温环境下的多孔材料力学性能的新颖设计提供指导。
（来源：张凯）
他表示：“当时的研究，为我积累了关于材料测试、仿生设计和力学理论的基础，这都为后期凝胶冰雪材料的研发和产业化提供了丰富的理论指导和实践经验。”
在未来，他将进一步升级凝胶冰雪产品，以期同步推进凝胶冰雪在冰雪嘉年华和冰雪进校园活动中的应用。例如，在城市做小型“冰雪嘉年华”，以及基于凝胶冰雪材料发展适用于大众体验的冰场、冰壶、冰杯以及相应文创产品。
-End-
