The following article is from 科学大院 Author 苏澄宇

在日本北海道的海边，一只黄色的橡皮鸭被牢牢地粘在一块礁石上。任凭海浪不断拍打，潮起潮落，这只玩具鸭却纹丝不动。

图片来源：Nature

这不是整活，也不是恶作剧，而是北海道大学研究团队正在进行的一项严肃实验——他们要测试一种全新的水下超强粘合材料。

水下粘合，502 胶也不管用

为什么要研究在水下的粘合材料？

想象一下，在海洋开发、水下设备维修、海洋科学研究等领域，工程师和科研人员常常需要在水下完成各种任务，比如结构粘合或传感器固定。又比如，在水产养殖等海洋农业活动中，对水下的网箱、管道等设施进行快速有效的修补也是必不可少的 。

水下粘合剂的应用场景丨 Nature

然而，传统的粘合剂在潮湿或水下环境中往往会性能下降甚至完全失效。比如说大家常用的502 胶，它需要利用物体表面微量的湿气来快速变硬，但在水下使用时，大量的水瞬间涌入，导致胶水还没来得及接触物体，自己就瞬间变成了一团无用的固体，自然就粘不住东西了。

不过，大自然中有些生物却完美解决了这个问题。比如贻贝能在海浪冲刷的礁石上安家，任凭风吹浪打也不松动；有些细菌能在下水道这种极度潮湿的环境里形成顽固的菌膜，让清洁工人头疼不已。

礁石上的贻贝丨 veer 图库

它们的秘密武器，就是体内特殊的粘附蛋白。以贻贝为例，它们分泌的贻贝足丝蛋白富含一种叫多巴（DOPA）的特殊氨基酸。多巴分子就像一个个微小的吸盘，能牢牢吸附在各种岩石、金属甚至塑料表面。更关键的是，这些蛋白在接触到海水后，会迅速发生复杂的化学反应，形成一种坚韧且具有弹性的复合胶体不仅能抵抗海水的冲刷，还能吸收海浪的冲击力，这正是贻贝能在礁石上屹立不倒的奥秘。

贻贝丝上的蛋白大致分布丨参考文献 [ 2 ]

向大自然 " 取经 "

为了开发高性能水下粘合材料，科学家想到可以向大自然 " 取经 "，研究生物体中粘附蛋白的功能来获取研究灵感。不过问题来了：自然界的粘附蛋白种类繁多，该选哪种来研究才最高效呢？

2024 年，北海道大学的研究团队想出了一种特别的研究方法：他们不是研究一两种生物，而是一口气分析了 24707 种粘附蛋白！这些粘附蛋白的来源可谓五花八门：不仅有上面提到的贻贝，还有沙漠甲虫、深海细菌、病毒，甚至还有人工合成的。

通过多序列比对技术，研究人员识别出了每个物种粘附蛋白的共识序列，即在进化过程中被保留下来的关键片段。他们发现，尽管这些蛋白质序列看似杂乱无章，但在功能分类层面却存在着明显的模式。

通过数据挖掘、编码等方式处理粘附蛋白数据，提取氨基酸特征丨参考文献 [ 1 ]

研究人员把组成这些蛋白质的氨基酸分成了六大类，每一类都有自己的 " 性格 "：有些 " 怕水 "（疏水类），像油一样排斥水；有些 " 亲水 "（亲核类），喜欢和水打交道；有些带正电（阳离子类），有些带负电（酸性类）；还有些含有特殊的化学结构（酰胺类和芳香类）。

研究人员通过统计发现，成功的粘附蛋白都有自己的 " 配方偏好 "。比如大肠杆菌的粘附蛋白，特别喜欢把 " 怕水 " 和芳香类氨基酸放在一起，而贝类的粘附蛋白则更偏爱带正电和芳香类氨基酸的组合。

AI 助力打造超级粘合剂

找到粘附蛋白的组成规律后，为了将其转换为实用的粘合材料，研究团队采用了一个巧妙的策略。他们选择了六种化学单体（可以理解为乐高积木的基本块），每种代表一类氨基酸的特性，然后像搭积木一样，按照从生物蛋白中学到的 " 配方 "，把这些单体组合成新材料。

六种功能单体的化学结构，每种代表氨基酸六大功能类别之一丨参考文献 [ 1 ]

研究团队一口气合成了 180 种不同的水凝胶，测试发现，其中 16 种的粘附力超过了 100 千帕斯卡（kPa）。作为对比，在干燥条件下，普通胶带的粘附力约为 10-50kPa，502 胶水约为 500kPa。虽然新材料的粘附力暂时还比不上 502 胶水，但在有水环境下已经是巨大的突破。

注：粘附力，即把粘在一起的两个东西分开所需要的力，单位通常用帕斯卡表示。1 帕斯卡等于 1 牛顿的力作用在 1 平方米的面积上。

但团队的目标不止于此。他们想知道，粘附强度的极限在哪里？

如果继续用传统方法合成和测试材料，就如同大海捞针一样耗时耗力。于是，研究的第三阶段，他们请出了一位强大的新伙伴：AI。

研究人员分析了粘附蛋白的氨基酸序列，发现了若干特征性序列模式，并以此为依据设计粘附性水凝胶，同时利用 AI 对设计进行优化丨参考文献 [ 1 ]

他们用 9 种不同的机器学习算法来分析这 180 种材料的数据，寻找配方和粘附力之间的关系。经过反复学习和预测，AI 给出了新的配方建议。研究团队根据这些建议，又合成了几十种新材料。经过三轮优化，最终诞生了超级明星——R1-max。

研究人员合成的 R1-max 等材料的外观丨参考文献 [ 1 ]

R1-max 的粘附力达到了惊人的 1 兆帕（1MPa = 1000 千帕），相当于之前合成材料的近 7 倍！这是什么概念？一块指甲盖大小的 R1-max，能在水下吊起 10 公斤的重物，相当于一个西瓜的重量。

R1-max 之所以能在水下保持如此强大的粘合力，是因为其配方中的疏水类和芳香类结构扮演了 " 排水泵 " 的角色。当水凝胶接触物体表面时，这些成分能有效地将接触界面上的水分子排挤出去，从而创造出一个能让胶水与物体直接接触的 " 干燥 " 微环境。这解决了普通胶水在水下首先要面对的 " 水膜 " 隔离难题。

新的粘合剂有多强大？

回到故事开头的场景，那只被牢牢粘在海边礁石上的小黄鸭，正是 R1-max 的杰作。在真实海洋环境中，它经受住了海浪日复一日的冲击，展现了惊人的耐久性 。

图片来源：参考文献 [ 1 ]

研究人员还进行了其他测试：他们用 R1-max 把两块玻璃板粘在一起，并在下面吊了 1 公斤的重物，然后把整个装置泡在盐水里。一年后，粘合依然牢固。不仅如此，R1-max 对塑料、金属甚至猪骨等各种材料表面都表现出强大的粘附力。

为什么要粘附猪骨？因为在人体内部或潮湿的伤口上，普通粘合剂往往无法发挥作用 。这种新型水凝胶具有良好的生物相容性，未来有望应用于手术中，用于快速止血、封闭组织创口。

图中一块 R1-max（25 mm × 25 mm，厚约 0.4 mm）在生理盐水中承受 1 kg 载荷，将陶瓷（左）、玻璃（中）和钛板（右）粘接在一起，持续超过 1 年丨参考文献 [ 1 ]

R1-max 从猪骨表面剥离丨参考文献 [ 1 ]

研究人员此后新合成的 R2-max（R1-max 的 " 兄弟 "）更是创造了奇迹。他们在一个 3 米高的水管底部打了个 2 厘米的洞，水像喷泉一样喷涌而出，流速达到 5.4 米 / 秒。然后，他们用一小块 R2-max 往洞上一贴，水流瞬间停止，而且 5 个月都没有渗漏。作为对比，商业防水胶带 FLEX TAPE 在同样条件下，1.5 小时就败下阵来。

R2-max 成功修复管道底部的孔洞，超过 5 个月未见渗漏。凝胶干燥后变透明，仅孔周围出现浑浊区域，表明有水渗入。市售的 FLEX TAPE 在相同条件下仅 1.5 小时就出现渗漏。丨参考文献 [ 1 ]

无论是海边屹立不倒的橡皮鸭，还是 3 米高的水管，这些实例成功地证明了新型粘合剂强大的粘附力和惊人的持久性。这项技术不仅解决了传统胶水在水下失效的难题，更为水下工程的紧急修复、医疗领域的生物粘合剂等应用场景带来了革命性的潜力。

更重要的是，这项研究还展示了一种全新的科研范式：从大自然中汲取灵感，利用 AI 进行优化，最终创造出超越自然的新材料。这种自然启发 +AI 赋能的模式，为未来新材料的研发开辟了无限可能。

参考文献

[ 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 ) .

作者简介 苏澄宇，科普作者。

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