2023年的一個(gè)夏夜，日本札幌的傾盆暴雨儼然是廖鴻廣心情的寫照。
“還是沒達(dá)到預(yù)期。”杵在雨中的公交站臺(tái)，這位北海道大學(xué)的博士生喃喃自語(yǔ)道。
此前，廖鴻廣已經(jīng)制作并測(cè)試了180種水凝膠作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練集。根據(jù)模型優(yōu)化的“配方”，他又合成了30多種水凝膠，但這些材料的黏附性能依舊有限，始終沒有突破訓(xùn)練集的上限。
廖鴻廣見過很多次凌晨4點(diǎn)的札幌
但他并不打算放棄。在陸續(xù)更換10種模型、經(jīng)歷半年多的不斷嘗試后，廖鴻廣與合作者找到了適配的模型，他心中的那片天終于放晴。近日，這項(xiàng)工作發(fā)表在Nature雜志，還登上了期刊封面。研究團(tuán)隊(duì)將數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用于仿生材料設(shè)計(jì)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化，合成了超強(qiáng)力的水下黏附水凝膠材料。
對(duì)于材料學(xué)是“四大天坑”之一的說法，廖鴻廣有自己的想法：“化學(xué)、材料學(xué)這樣的傳統(tǒng)理科研究，是科技強(qiáng)國(guó)的根基。很多新興領(lǐng)域如新能源、信息技術(shù)的發(fā)展，都依賴于它的不斷突破，更有無數(shù)潛力等待發(fā)掘。”與其說是“坑”，不如稱為“寶山”——至于是“坑”還是“礦”，“取決于你能挖多深”。
AI造出超級(jí)水凝膠
水凝膠是一種高分子材料，其含水量極高，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛使用。就黏附性水凝膠來說，這種材料需要在保證抗撕裂的同時(shí)足夠柔軟，才能很好地與界面貼合，在海洋工程、艦船裝備、創(chuàng)傷封合、血管修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。
廖鴻廣介紹，在實(shí)驗(yàn)室合成水凝膠僅需水與化學(xué)原料。然而，水凝膠的設(shè)計(jì)需要選擇合適的單體，并確定它們的配比與排列方式，過去材料的優(yōu)化依賴反復(fù)的試驗(yàn)。
廖鴻廣所在的北海道大學(xué)教授龔劍萍課題組，在水凝膠領(lǐng)域已有30余年研究經(jīng)驗(yàn)。近年，他們參考吸鰭魚、貽貝等具有黏附力的生物，合成了一系列水下黏附性能強(qiáng)的水凝膠。
在最新的研究中，團(tuán)隊(duì)試圖用人工智能技術(shù)（AI）找到這些生物黏附蛋白的共性，并進(jìn)一步提高水下水凝膠黏附性。
Nature論文截圖
具體來說，他們用數(shù)據(jù)挖掘的方法將黏附蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)讀了一遍，提取了3800多個(gè)物種的2萬多條黏附蛋白的氨基酸序列，統(tǒng)計(jì)了功能單元的相鄰組合頻率，生成了一套可轉(zhuǎn)化為聚合物單體比例的“仿生組分配方庫(kù)”。
基于黏附蛋白數(shù)量最多的200個(gè)物種，廖鴻廣根據(jù)仿生“配方”合成了180種水凝膠，并依次測(cè)試它們的黏附力。這些數(shù)據(jù)就是機(jī)器學(xué)習(xí)用來優(yōu)化配方的訓(xùn)練集。
180種不同配方的水凝膠
那段時(shí)間，廖鴻廣一天到晚都在實(shí)驗(yàn)室制膠、測(cè)膠。大家笑稱他為“無情的廖牌機(jī)器人”。
廖鴻廣在手套箱制備水凝膠
實(shí)驗(yàn)室另一邊，是世界頂級(jí)國(guó)際研究中心計(jì)劃-化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)研究所（WPI-ICReDD）的辦公室。廖鴻廣告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這是一個(gè)催生跨學(xué)科研究的機(jī)構(gòu)，研究者的背景各不相同，有人專攻化學(xué)、材料，有人是計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的專家。
廖鴻廣與兩位機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的合作者——瀧川一學(xué)與胡晟在同一個(gè)辦公室。在2023年那個(gè)不斷遭遇挫敗的夏天，他們經(jīng)常面對(duì)面討論。廖鴻廣將實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋給機(jī)器學(xué)習(xí)專家，后者對(duì)模型進(jìn)行了一次次修改、優(yōu)化。最終，廖鴻廣在加強(qiáng)版貝葉斯模型的“指引”下，制出黏附力達(dá)1兆帕的超強(qiáng)水下黏附水凝膠，比過去已報(bào)道的黏附水凝膠強(qiáng)度提高了5至10倍。
該如何理解1兆帕的黏附力？廖鴻廣解釋說，一片郵票大小的水凝膠就能拎起一個(gè)成年人；將水凝膠貼在3米高水管側(cè)壁的缺口，水管半年都不會(huì)發(fā)生漏水。而一張郵票大小的材料，根據(jù)估算成本僅一毛錢。
水管實(shí)驗(yàn)
得到黏附力極強(qiáng)的膠，不是團(tuán)隊(duì)的唯一追求。更為重要的是，這種基于AI的設(shè)計(jì)思路可以根據(jù)不同水凝膠性能需求進(jìn)行調(diào)整，催生一系列后續(xù)研究。比如，可以通過分析彈性蛋白合成彈性水凝膠、挖掘抗凍蛋白序列合成抗凍水凝膠，或者聚焦人體臟器手術(shù)的水凝膠……
“我們的野心很大的。”廖鴻廣說。
登上Nature封面背后
基于材料學(xué)、從生物視角切入、實(shí)現(xiàn)AI for Science，這項(xiàng)研究中學(xué)科交叉的思維，離不開龔劍萍作為導(dǎo)師的言傳身教。
比如，龔劍萍曾向廖鴻廣講述自己2003年的一項(xiàng)研究。那是龔劍萍來到北海道大學(xué)的第10個(gè)年頭，她從物理學(xué)視角出發(fā)，將降低摩擦系數(shù)的想法帶入水凝膠材料開發(fā)中，打造了力學(xué)性能極強(qiáng)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，為水凝膠領(lǐng)域帶來顛覆性突破。
其實(shí)，龔劍萍早年學(xué)習(xí)電子物理專業(yè)，跨領(lǐng)域的思維一直貫穿于她的課題研究。她通過講述自己的經(jīng)歷告訴學(xué)生，做科研要有開放的眼界與格局。
2024年11月底，研究團(tuán)隊(duì)將論文投至Nature。廖鴻廣記得，編輯兩三天后就將論文送審。他笑稱，這也許是借了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給AI的“東風(fēng)”。
有兩位審稿人都給出了高度評(píng)價(jià)；但第三位審稿人是一位偏“老派”的學(xué)者，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)不太信任。這位審稿人稱，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種black magic（黑魔法），得出的結(jié)果具有偶然性。
廖鴻廣坦言，這的確是AI for Science普遍存在的問題。也許“黑魔法”并非百試百靈，但找到潛在的高黏附配方的可能性很大，團(tuán)隊(duì)成功合成性能優(yōu)越的水凝膠就證明了這條路的可行性。
廖鴻廣解釋，機(jī)器學(xué)習(xí)的效果依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，而團(tuán)隊(duì)直接從生物蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行挖掘，保證了所獲數(shù)據(jù)的價(jià)值。在補(bǔ)充高分子序列、水凝膠黏性表征等實(shí)驗(yàn)后，他們成功說服了審稿人。
今年5月，廖鴻廣回國(guó)參加了在杭州舉辦的第四屆先進(jìn)凝膠材料與軟物質(zhì)國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)。會(huì)議落幕的第二天，5月20日，他收到論文被接收的消息。他心中的石頭終于落地。
既然文章被接收，不妨再試試投封面。在團(tuán)隊(duì)的精心準(zhǔn)備下，他們的封面被編輯選中。令人忍俊不禁的是，登上封面的不是高分子結(jié)構(gòu)示意圖，而是一只小黃鴨。
當(dāng)期Nature封面
從北海道大學(xué)到海邊，坐車只要十幾分鐘。時(shí)間回到2023年秋天，團(tuán)隊(duì)曾“忙里偷閑”，帶著小黃鴨來到札幌附近的朝里海灘，用超強(qiáng)力水凝膠將小黃鴨粘在海岸邊的礁石上，在海水環(huán)境中測(cè)試水凝膠的黏附性。
當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)拍攝了視頻與照片作為記錄。這成為后來他們打動(dòng)期刊編輯的素材。
在海邊粘小黃鴨的想法，萌生自通訊作者之一范海龍。范海龍?jiān)邶弰ζ颊n題組做博士后，如今是深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘副教授。
2019年，范海龍仿效貽貝的黏附蛋白合成水凝膠時(shí)就帶著嘗試的心態(tài)，在海邊用小黃鴨測(cè)試水凝膠黏附力。這次，被海水沖刷但屹立不倒的小黃鴨，正式發(fā)表在了Nature封面上。
“我們理工男的浪漫可能就在于此吧。”廖鴻廣笑道。
范海龍（前）、龔劍萍、廖鴻廣（右一）與測(cè)試黏附性的裝置合影
科學(xué)研究是享受
廖鴻廣與化學(xué)世界的結(jié)緣，可以追溯到高中。作為化學(xué)課代表，廖鴻廣那時(shí)就發(fā)現(xiàn)，化學(xué)是一門具有創(chuàng)造力的學(xué)科。
在高考填報(bào)志愿時(shí)，他的首選學(xué)校是中國(guó)人民大學(xué)。他笑稱自己抵不住誘惑，將金融與法律填報(bào)為第一及第二志愿專業(yè)——畢竟社科是人大的“王牌”。
不過，命運(yùn)自有安排。在廣東那個(gè)濕熱的夏天，他收到了人大化學(xué)專業(yè)的錄取通知書。廖鴻廣將化學(xué)“藏”在第三志愿專業(yè)，而這才是他的“心之所向”。
在學(xué)習(xí)高分子化學(xué)課程后，廖鴻廣找到了自己的興趣點(diǎn)，也在人大完成了研究生學(xué)習(xí)。在導(dǎo)師王亞培的課題組，廖鴻廣接觸到水凝膠材料的開發(fā)，得知該領(lǐng)域有一位“大牛”——龔劍萍。
對(duì)于博士申請(qǐng)，廖鴻廣毫不猶豫。“我就是奔著龔老師去的。龔老師在哪兒，我就申請(qǐng)哪兒。”
在申請(qǐng)博士時(shí)，廖鴻廣（右二）專門在郵件中附了他碩士期間與龔劍萍的合影
如何提升水凝膠的性能，是龔劍萍癡迷了30多年的科學(xué)問題。她常常對(duì)學(xué)生說，做科研的前提是充滿興趣。她教導(dǎo)學(xué)生要享受解決問題的過程，而不是只靠拼。在一次討論期間，廖鴻廣曾鼓勵(lì)師弟“fighting”，龔劍萍則糾正他“enjoy”。
除了帶著享受科研的態(tài)度，廖鴻廣還會(huì)從生活中“取材”。
博士期間，他開展的另一項(xiàng)研究聚焦于用水凝膠材料吸附海洋污染物。實(shí)驗(yàn)室其他小伙伴出去玩時(shí)，廖鴻廣會(huì)托他們捎些海水回來。后來，實(shí)驗(yàn)室堆了許多水桶，貼著“小樽”“朝里”“利尻島”……供他使用。
就在今年杭州會(huì)議期間，廖鴻廣抽空去西湖體驗(yàn)游船。行駛在澄澈的湖面，他被水下的植物吸引。他順勢(shì)一撈，發(fā)現(xiàn)葉子和果實(shí)竟然在水下很黏，對(duì)皮膚的黏附性也很好。
廖鴻廣怎么會(huì)放過“粘”上手的靈感呢？“下次我得試試用這種植物來做仿生水凝膠。”
科研的痕跡，就這樣出其不意地出現(xiàn)在各個(gè)角落。科研的好玩之處，也融于生活之中。這也印證了龔劍萍對(duì)學(xué)生的期待，她告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“每個(gè)人的想法都不同。源自個(gè)人興趣與好奇心做的工作，肯定是原創(chuàng)且獨(dú)特的。”
哪怕研究遭遇瓶頸，激動(dòng)人心的球賽也會(huì)讓廖鴻廣立刻振奮起來。他的微信頭像上寫著一句話“Enjoy life, Work hard, And smiling :)”。這句話來自他喜歡多年的球星哈蘭德，廖鴻廣覺得很符合自己的人生信念。
他說，哈蘭德也是個(gè)大男孩，比較愛笑，認(rèn)認(rèn)真真踢球，知道自己想要什么。
對(duì)廖鴻廣來說，做研究意味著可以專注做自己喜歡的事。在一個(gè)領(lǐng)域沉下心慢慢打磨、雕刻，還能找到自己的價(jià)值，怎么不是一種享受呢？
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https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4
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