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正和國(guó)家體育總局展開(kāi)合作，未來(lái)有望應(yīng)用于軟機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)診斷康復(fù)、極地下聲學(xué)通訊等領(lǐng)域

永不融化的冰雪！北理工團(tuán)隊(duì)研發(fā)“凝膠冰雪”新型材料

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凝膠冰雪，并不單單是冰雪。除了效力于民用冰雪運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域之外，張凱教授說(shuō)它還能在其他材料上"一魚(yú)多吃" 。給凝膠冰雪引入具有光、電、磁等特性的元素，可實(shí)現(xiàn)更多功能。未來(lái)有望用于軟機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)診斷康復(fù)、極地下聲學(xué)通訊等領(lǐng)域的探索。在版權(quán)布局上，張凱教授已就凝膠冰雪申請(qǐng)多項(xiàng)專利，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 。此外，凝膠冰雪團(tuán)隊(duì)也積極參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類比賽，曾獲第十一屆"挑戰(zhàn)杯"首都大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽"科技冬奧"專項(xiàng)賽道特等獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)二等獎(jiǎng)、第六&七屆中國(guó)國(guó)際"互聯(lián)網(wǎng)"+二等獎(jiǎng)、納米之星北京賽區(qū)三等獎(jiǎng)等省部級(jí)及以上獎(jiǎng)勵(lì) 5 項(xiàng) 。

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圖 | 該團(tuán)隊(duì)參加相關(guān)比賽獲獎(jiǎng)（該團(tuán)隊(duì)）目前，該團(tuán)隊(duì)已和中國(guó)科學(xué)技術(shù)館、北京科學(xué)中心等單位合作開(kāi)展過(guò)"科技冬奧"迎六一、科學(xué)嘉年華、冬奧主題展覽（目前正在展出）等活動(dòng) 。他表示："國(guó)家體育總局、北京市相關(guān)部門(mén)及多家企事業(yè)單位，正在積極與我們對(duì)接、共同推進(jìn)該材料在冰雪體驗(yàn)場(chǎng)、冰壺場(chǎng)地的應(yīng)用推廣。"盡管凝膠冰雪并未用于 2022 北京冬奧會(huì)中。但他認(rèn)為："以本屆冬奧會(huì)為契機(jī)，將凝膠冰雪推廣至大眾冰雪體育領(lǐng)域是我們團(tuán)隊(duì)的發(fā)展目標(biāo) 。我相信大家很快就能去現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)基于凝膠冰雪的冰雪運(yùn)動(dòng)了。"事實(shí)上，一直以來(lái)冰雪運(yùn)動(dòng)參與者都屬于小眾人群。冬奧會(huì)的成功舉辦，將會(huì)促進(jìn)全民健身，帶動(dòng) 3 億多民眾參與冰雪運(yùn)動(dòng) 。"而我主要關(guān)注的是凝膠冰雪在大眾冰雪體育運(yùn)動(dòng)的推廣和普及。相比于傳統(tǒng)冰雪，凝膠冰雪具有不融化、制備及維護(hù)成本低、運(yùn)輸方便等諸多優(yōu)勢(shì) ?！睆垊P教授表示。
博士期間的科研訓(xùn)練為凝膠冰雪的順利研發(fā)奠定了基礎(chǔ)

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據(jù)了解，在張凱教授團(tuán)隊(duì)，除了凝膠冰雪已逐步邁向產(chǎn)業(yè)化，在他們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究方向，主要是基于新穎的材料的研發(fā)結(jié)合力學(xué)學(xué)科的多尺度設(shè)計(jì)方法，發(fā)展面向醫(yī)療和機(jī)器人領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。目前，仍有 2 個(gè)研究成果在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。首先，基于和凝膠冰雪類似的材料體系，張凱教授發(fā)展了面向超聲醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的水凝膠導(dǎo)聲墊。該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的水凝膠超聲導(dǎo)聲墊，具有承力性好、不易流動(dòng)、不產(chǎn)生醫(yī)療廢棄物等優(yōu)勢(shì)，能夠替代傳統(tǒng)耦合劑，在提升超聲成像精度的同時(shí)帶給患者更好的醫(yī)療體驗(yàn)，未來(lái)有望應(yīng)用于手指、手肘、膝蓋等高曲率部位的超聲醫(yī)療檢測(cè) 。目前，相關(guān)成果已申請(qǐng)專利，并就試用和深入開(kāi)發(fā)等方面與北京相關(guān)醫(yī)院開(kāi)展了合作交流。此外，憑借團(tuán)隊(duì)的材料研發(fā)基礎(chǔ)和力學(xué)設(shè)計(jì)能力，張凱教授發(fā)展了一種智能拾取機(jī)器人，目前正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的對(duì)接。該智能拾取機(jī)器人搭載了張凱教授團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的抗擾軟抓手，并基于人工智能的剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)控制方法，能深入傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法清理的場(chǎng)景，對(duì)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的、智能化的清潔。日后，他還計(jì)劃把這種含有軟抓手的拾取機(jī)器人用于農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、安防等領(lǐng)域。如今的成績(jī)，要從張凱教授做教職之前的博士論文說(shuō)起，那篇論文曾獲得國(guó)百篇論文優(yōu)秀博士論文提名。該論文以天然蜂窩和不同尺度的人工管束材料為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算模擬等方法，研究了這些天然多孔材料的剛度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及仿生優(yōu)化設(shè)計(jì) 。研究中，他發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)特別有趣的事情。首先，天然蜂窩剛剛建造出來(lái)時(shí)不是大家熟知的六邊形而是圓形，它是通過(guò)溫度作用下的材料相變作用下，實(shí)現(xiàn)了圓形到六邊形的轉(zhuǎn)變。其次，使用過(guò)的天然蜂窩里有著豐富且驚喜的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)提升了蜂窩在使用過(guò)程中的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，以上現(xiàn)象此前從未有人報(bào)道。于是張凱教授從該現(xiàn)象出發(fā)，建立了材料力學(xué)性能與多尺度結(jié)構(gòu)的測(cè)試與表征，最終讓該研究為面向變溫環(huán)境下的多孔材料力學(xué)性能的新穎設(shè)計(jì)提供指導(dǎo) 。

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永不融化的冰雪！北理工團(tuán)隊(duì)研發(fā)“凝膠冰雪”新型材料( 二 )