在日本北海道的海邊，一只黃色的橡皮鴨被牢牢地粘在一塊礁石上。任憑海浪不斷拍打，潮起潮落，這只玩具鴨卻紋絲不動。
圖片來源：Nature
這不是整活，也不是惡作劇，而是北海道大學(xué)研究團(tuán)隊正在進(jìn)行的一項嚴(yán)肅實驗——他們要測試一種全新的水下超強(qiáng)粘合材料。
水下粘合，502膠也不管用
為什么要研究在水下的粘合材料？
想象一下，在海洋開發(fā)、水下設(shè)備維修、海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域，工程師和科研人員常常需要在水下完成各種任務(wù)，比如結(jié)構(gòu)粘合或傳感器固定。又比如，在水產(chǎn)養(yǎng)殖等海洋農(nóng)業(yè)活動中，對水下的網(wǎng)箱、管道等設(shè)施進(jìn)行快速有效的修補也是必不可少的 。
水下粘合劑的應(yīng)用場景丨Nature
然而，傳統(tǒng)的粘合劑在潮濕或水下環(huán)境中往往會性能下降甚至完全失效。比如說大家常用的502膠，它需要利用物體表面微量的濕氣來快速變硬，但在水下使用時，大量的水瞬間涌入，導(dǎo)致膠水還沒來得及接觸物體，自己就瞬間變成了一團(tuán)無用的固體，自然就粘不住東西了。
不過，大自然中有些生物卻完美解決了這個問題。比如貽貝能在海浪沖刷的礁石上安家，任憑風(fēng)吹浪打也不松動；有些細(xì)菌能在下水道這種極度潮濕的環(huán)境里形成頑固的菌膜，讓清潔工人頭疼不已。
礁石上的貽貝丨veer圖庫
它們的秘密武器，就是體內(nèi)特殊的粘附蛋白。以貽貝為例，它們分泌的貽貝足絲蛋白富含一種叫多巴（DOPA）的特殊氨基酸。多巴分子就像一個個微小的吸盤，能牢牢吸附在各種巖石、金屬甚至塑料表面。更關(guān)鍵的是，這些蛋白在接觸到海水后，會迅速發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成一種堅韌且具有彈性的復(fù)合膠體不僅能抵抗海水的沖刷，還能吸收海浪的沖擊力，這正是貽貝能在礁石上屹立不倒的奧秘。
貽貝絲上的蛋白大致分布丨參考文獻(xiàn)[2]
向大自然“取經(jīng)”
為了開發(fā)高性能水下粘合材料，科學(xué)家想到可以向大自然“取經(jīng)”，研究生物體中粘附蛋白的功能來獲取研究靈感。不過問題來了：自然界的粘附蛋白種類繁多，該選哪種來研究才最高效呢？
2024年，北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊想出了一種特別的研究方法：他們不是研究一兩種生物，而是一口氣分析了24707種粘附蛋白！這些粘附蛋白的來源可謂五花八門：不僅有上面提到的貽貝，還有沙漠甲蟲、深海細(xì)菌、病毒，甚至還有人工合成的。
通過多序列比對技術(shù)，研究人員識別出了每個物種粘附蛋白的共識序列，即在進(jìn)化過程中被保留下來的關(guān)鍵片段。他們發(fā)現(xiàn)，盡管這些蛋白質(zhì)序列看似雜亂無章，但在功能分類層面卻存在著明顯的模式。
通過數(shù)據(jù)挖掘、編碼等方式處理粘附蛋白數(shù)據(jù)，提取氨基酸特征丨參考文獻(xiàn)[1]
研究人員把組成這些蛋白質(zhì)的氨基酸分成了六大類，每一類都有自己的“性格”：有些“怕水”（疏水類），像油一樣排斥水；有些“親水”（親核類），喜歡和水打交道；有些帶正電（陽離子類），有些帶負(fù)電（酸性類）；還有些含有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)（酰胺類和芳香類）。
研究人員通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，成功的粘附蛋白都有自己的“配方偏好”。比如大腸桿菌的粘附蛋白，特別喜歡把“怕水”和芳香類氨基酸放在一起，而貝類的粘附蛋白則更偏愛帶正電和芳香類氨基酸的組合。
AI助力打造超級粘合劑
找到粘附蛋白的組成規(guī)律后，為了將其轉(zhuǎn)換為實用的粘合材料，研究團(tuán)隊采用了一個巧妙的策略。他們選擇了六種化學(xué)單體（可以理解為樂高積木的基本塊），每種代表一類氨基酸的特性，然后像搭積木一樣，按照從生物蛋白中學(xué)到的“配方”，把這些單體組合成新材料。
六種功能單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，每種代表氨基酸六大功能類別之一丨參考文獻(xiàn)[1]
研究團(tuán)隊一口氣合成了180種不同的水凝膠，測試發(fā)現(xiàn)，其中16種的粘附力超過了100千帕斯卡（kPa）。作為對比，在干燥條件下，普通膠帶的粘附力約為10-50kPa，502膠水約為500kPa。雖然新材料的粘附力暫時還比不上502膠水，但在有水環(huán)境下已經(jīng)是巨大的突破。
注：粘附力，即把粘在一起的兩個東西分開所需要的力，單位通常用帕斯卡表示。1帕斯卡等于1牛頓的力作用在1平方米的面積上。
但團(tuán)隊的目標(biāo)不止于此。他們想知道，粘附強(qiáng)度的極限在哪里？
如果繼續(xù)用傳統(tǒng)方法合成和測試材料，就如同大海撈針一樣耗時耗力。于是，研究的第三階段，他們請出了一位強(qiáng)大的新伙伴：AI。
研究人員分析了粘附蛋白的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)了若干特征性序列模式，并以此為依據(jù)設(shè)計粘附性水凝膠，同時利用AI對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化丨參考文獻(xiàn)[1]
他們用9種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來分析這180種材料的數(shù)據(jù)，尋找配方和粘附力之間的關(guān)系。經(jīng)過反復(fù)學(xué)習(xí)和預(yù)測，AI給出了新的配方建議。研究團(tuán)隊根據(jù)這些建議，又合成了幾十種新材料。經(jīng)過三輪優(yōu)化，最終誕生了超級明星——R1-max。
研究人員合成的R1-max等材料的外觀丨參考文獻(xiàn)[1]
R1-max的粘附力達(dá)到了驚人的1兆帕（1MPa = 1000千帕），相當(dāng)于之前合成材料的近 7 倍！這是什么概念？一塊指甲蓋大小的R1-max，能在水下吊起10公斤的重物，相當(dāng)于一個西瓜的重量。
R1-max之所以能在水下保持如此強(qiáng)大的粘合力，是因為其配方中的疏水類和芳香類結(jié)構(gòu)扮演了“排水泵”的角色。當(dāng)水凝膠接觸物體表面時，這些成分能有效地將接觸界面上的水分子排擠出去，從而創(chuàng)造出一個能讓膠水與物體直接接觸的“干燥”微環(huán)境。這解決了普通膠水在水下首先要面對的“水膜”隔離難題。
新的粘合劑有多強(qiáng)大？
回到故事開頭的場景，那只被牢牢粘在海邊礁石上的小黃鴨，正是R1-max的杰作。在真實海洋環(huán)境中，它經(jīng)受住了海浪日復(fù)一日的沖擊，展現(xiàn)了驚人的耐久性 。
圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]
研究人員還進(jìn)行了其他測試：他們用R1-max把兩塊玻璃板粘在一起，并在下面吊了1公斤的重物，然后把整個裝置泡在鹽水里。一年后，粘合依然牢固。不僅如此，R1-max對塑料、金屬甚至豬骨等各種材料表面都表現(xiàn)出強(qiáng)大的粘附力。
為什么要粘附豬骨？因為在人體內(nèi)部或潮濕的傷口上，普通粘合劑往往無法發(fā)揮作用 。這種新型水凝膠具有良好的生物相容性，未來有望應(yīng)用于手術(shù)中，用于快速止血、封閉組織創(chuàng)口。
圖中一塊 R1-max（25 mm × 25 mm，厚約 0.4 mm）在生理鹽水中承受 1 kg 載荷，將陶瓷（左）、玻璃（中）和鈦板（右）粘接在一起，持續(xù)超過 1 年丨參考文獻(xiàn)[1]
R1-max從豬骨表面剝離丨參考文獻(xiàn)[1]
研究人員此后新合成的R2-max（R1-max的“兄弟”）更是創(chuàng)造了奇跡。他們在一個3米高的水管底部打了個2厘米的洞，水像噴泉一樣噴涌而出，流速達(dá)到5.4米/秒。然后，他們用一小塊R2-max往洞上一貼，水流瞬間停止，而且5個月都沒有滲漏。作為對比，商業(yè)防水膠帶FLEX TAPE在同樣條件下，1.5小時就敗下陣來。
R2-max成功修復(fù)管道底部的孔洞，超過 5 個月未見滲漏。凝膠干燥后變透明，僅孔周圍出現(xiàn)渾濁區(qū)域，表明有水滲入。市售的 FLEX TAPE在相同條件下僅1.5 小時就出現(xiàn)滲漏。丨參考文獻(xiàn)[1]
無論是海邊屹立不倒的橡皮鴨，還是3米高的水管，這些實例成功地證明了新型粘合劑強(qiáng)大的粘附力和驚人的持久性。這項技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)膠水在水下失效的難題，更為水下工程的緊急修復(fù)、醫(yī)療領(lǐng)域的生物粘合劑等應(yīng)用場景帶來了革命性的潛力。
更重要的是，這項研究還展示了一種全新的科研范式：從大自然中汲取靈感，利用AI進(jìn)行優(yōu)化，最終創(chuàng)造出超越自然的新材料。這種自然啟發(fā)+AI賦能的模式，為未來新材料的研發(fā)開辟了無限可能。
參考文獻(xiàn)
[1] Liao, H., Hu, S., Yang, H. et al. Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels. Nature 644, 89–95 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4
[2] Hwang, D. S. et al. Protein-and metal-dependent interactions of a prominent protein in mussel adhesive plaques. Journal of Biological Chemistry 285, 25850–25858 (2010).
作者簡介 蘇澄宇，科普作者。
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