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科研进展

近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所何睿团队及合作者们成功开发出一种具有力学响应性的有机硅凝胶。这种凝胶在高速冲击力的作用下，材料内部的弹性模量显著提升而迅速变硬，是一种具有能量缓冲作用的防护材料。相关成果在国际权威期刊Nature Communications上发表题为“Supramolecular networks with high shear stiffening enabled by metal ion-mediated hydrogen bonding enhancement strategy”的研究论文。传统的剪切硬化胶（SSG）通常为聚硼硅氧烷体系（PBS），它是通过硼酸（BA）在高温下交联聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备而成。硼酸不仅对钢铁和混凝土具有腐蚀性，而且在高温下腐蚀速率加剧，更有多项动物实验证明长期接触硼酸可能导致中毒反应。这些安全隐患严重限制了SSG在诸多领域的应用，因此开发新一代无硼SSG迫在眉睫。针对上述问题，何睿团队开发出新型聚钛硅氧烷体系（PTS），首次提出基于金属离子介导的氢键增强策略调控超分子网络中的氢键强度，来替代传统PBS体系中的B-O动态键。与PTS中的Si-OH相比，体系中Ti3⁺-OH的O原子电荷密度更高，而Ti4⁺-OH的H原子电荷密度更低，因此作为氢键供体和受体能产生更强的氢键相互作用（图1）。当承受高频剪切应力时，氢键形成的动态可逆网络难以断裂，无序的高分子链无法松弛和解缠，高分子链运动受限在宏观尺度上呈现出高刚性状态。本工作开发的新型PTS SSG克服了传统PBS体系的腐蚀性和毒性问题，同时提出的金属离子介导的氢键增强策略为其他超分子功能材料构建提供了新路径。研究团队实现“新一代无硼有机硅剪切硬化胶”的开发，工作亮点如下：优异的剪切变硬性能：PTS SSG 在 01-100 Hz 频率范围内表现出高达 2800 倍的剪切变硬性能，具有优异的冲击防护能力。优异的生物相容性：与传统的PBS SSG相比，PTS SSG 具有极低的细胞毒性 (Grade 1)，使其成为安全可靠的智能凝胶材料。应用潜力广泛：PTS SSG 可用于制备抗冲击材料、应力传感器等，展现出其在智能材料领域的广阔应用前景。金属离子介导策略：通过引入变价金属离子，调节氢键供体和受体的静电势，从而显著增强氢键强度，大幅提升刺激响应性能。此外，该研究工作提出的金属离子介导的氢键增强策略也为其他具有动态可逆网络的智能凝胶材料开发提供了新的设计思路。中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心何睿副研究员为论文唯一通讯作者，陈卓博士及陈恒博士为论文共同第一作者。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。文章上线截图，原文链接：https://wwwnaturecom/articles/s41467-025-64000-1 图1 PTS SSG 结构设计和剪切硬化机理示意图图2 PTS SSG 性能优化实验数据图3 位阻效应对剪切硬化性能影响探究图4 金属离子介导的氢键增强机理研究图5 PTS SSG的细胞毒性评估及应用展示

材料 SSG PTS 氢键具有

李江颖 2025-10-13 21:07:46

媒体关注

原创：武汉中科先进技术研究院内容来源：整理自粘接资讯、车乾科技等网络公开资料近期，全球首个以人形机器人为参赛主体的综合性体育盛会——2025世界人形机器人运动会在北京圆满落幕。运动会上，北京灵翌宇树队的宇树H1机器人在1500米田径决赛中以6分34秒拿下冠军，展现出了人形机器人惊人的速度与协调性。 △ 2025世界人形机器人运动会1500米田径决赛现场（来源：新浪官网）与此同时，8月26日《国务院关于深入实施“人工智能+”行动的意见》公布，提出到2030年，我国新一代智能终端、智能体等应用普及率超90%。人形机器人作为“人工智能+”的重要应用，是继计算机、智能手机、新能源汽车之后的颠覆性产品。 2025年正成为人形机器人走向大规模量产的关键节点。行业数据显示，2025年全球人形机器人市场规模将达63。39亿元，中国占比超50%；至2030年，全球市场规模或突破640亿元，中国有望以32。7%的份额领跑全球。随着市场规模的不断扩大，华为、特斯拉等行业巨头纷纷加速布局，不断推动着新材料技术在机器人领域的应用与发展。一、关节骨骼：高强度材料撑起灵活身姿人形机器人的骨骼结构相当于“身体”的支架，承担支撑各关节组件和承载自身重量的功能，需具备高强度、轻量化的特点。与传统的金属材料相比，轻金属合金和高强度复合材料密度低、机械性能好，是实现骨架轻量化的新一代选择。 1新型钛合金新型钛合金是一种通过成分优化和工艺改进制成的高强度合金材料，作为机器人主体的 “骨骼” 核心，被广泛应用于机器人的下肢承重关节、躯干框架等核心受力部位部位。该材料强度比传统钢材高出30%，重量却减轻50%，能在保证其承重能力的同时让机器人快速移动时更轻盈，为灵活的肢体运动提供基础支撑。例如，优必选“天工行者”科研机器人的关键部位采用了钛合金材质，具有高硬度、高性能及高稳定性的特点，适配科研场景中高频次运动测试、多环境模拟实验等严苛需求，部件损耗率大幅降低。 △ 优必选“天工行者”（来源：微博@优必选科技） 2碳纤维复合材料碳纤维复合材料（CFRP）是用树脂 (主要是环氧树脂) 将碳纤维固化而成的复合材料。作为机器人的“关节骨架”，兼具高强度和高韧性，即使经过上万次的弯曲转动也不易断裂，大幅提升机器人关节的使用寿命，同时有助于机器人实现后空翻等高强度高灵敏度的动作。例如，Kinova Gen3机械臂的整机连杆部分全部采用碳纤维复合材料设计，实现了轻量化、高负载和精准作业，且长时间工作性能稳定，减少停机维护需求。 △ Kinova7 Gen3机械臂（来源：kinova官网） 3高性能工程塑料高性能工程塑料作为人形机器人关节系统的“枢纽”，在轻量化、运动性能与结构可靠性方面发挥着关键作用。例如，聚醚醚酮（PEEK）兼具优异力学性能、耐高温与轻量化特性，能承受关节高频摩擦与电机散热，该材料应用于特斯拉Optimus-Gen2中，实现机器人的减重提速，优化动态表现；液晶聚合物（LCP）以良好流动性、尺寸稳定性和耐高温性，适配关节电子元器件，保障系统稳定；聚苯硫醚（PPS）轻量化且电磁兼容性佳，适用于外骨骼连接件等。 △ 特斯拉Optimus-Gen2（来源：特斯拉官网）相关阅读： F1卷起汽车轻量化“飓风” 纤维增强复合材料技术工艺迎高光时刻二、仿生皮肤：柔性材料实现细腻交互仿生皮肤是模仿人类皮肤特性、感知能力和附加功能的仿生设计，本质上是一种仿生柔性触觉传感器。其触感上真实模拟人体皮肤温度与柔软度，功能上集成高精度感知系统，实现对压力、温湿度等信号的智能反馈。 1有机硅柔性材料有机硅因其化学性能稳定，优异的柔韧性、耐高低温性、电绝缘性和生物相容性，广泛应用于人形机器人手部等设计中。作为机器人的“仿生皮肤”，有机硅材料触感和皮肤一样柔软，其出色的柔韧性、透明性可使机器人在活动时更加灵活自如，可满足精细操作和与人类安全互动的需求。例如，松延动力仿真人面部硅胶皮肤、Soft Robotics公司开发的软体机器人硅胶机械手，均利用了有机硅的柔韧性和生物相容性制成。 △ 松延动力仿真人；Soft Robotics硅胶机械手（来源：产品展会及官网） 2智能调温变色材料智能调温变色材料是一种基于微胶囊技术，集成相变微胶囊和感温或感光变色微胶囊的高分子功能材料，作为机器人的电子皮肤感知层，其兼具温度动态调节与即时显色的功能。与传统的电子皮肤相比，相变微胶囊引入了人体皮肤类似体温调节的功能，通过材料的相变态转换缓冲环境温差，智能动态地调节仿生皮肤触感温度；感温/感光变色微胶囊可赋予电子皮肤独特的外观特性，使其具有变色或响应功能。该材料的应用可显著提升机器人在复杂环境中的热可靠性，同时通过色彩变化实现温度反馈与状态警示，提升机器人对多场景的适应性与安全性。 △ 相变微胶囊效果展示（来源：武汉先进院） △ 感温变色效果展示（来源：网络图片） 3离子凝胶离子凝胶由离子液体与高分子聚合物混合而成，具有独特的离子导电特性，可作为电子皮肤集成于机器人手臂与躯干表面，不仅能通过离子传导的变化精准感知压力、温度和湿度，还能检测识别摩擦电信号，实现对材料的精确识别与分类。该材料可应用于医疗领域机器人监测患者体征，智能分类领域可精准识别物料等。 △ 离子凝胶感受器（来源：wiley官网）相关阅读：相变微胶囊——行走的“微空调” 七大性能优势！有机硅压敏胶不止于此…… 三、智能神经与部件：特种材料加速性能升级人形机器人的“神经中枢”——传感器与控制系统，如同人类大脑般指挥着40余个关节的协同运作。而要让指令闪电般传遍全身，并驱动机械骨骼精准执行，离不开这些核心功能材料。 1石墨烯导电材料石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有超高导电性和轻薄的特性，其导电性能是传统铜导线的 10 倍以上。该材料应用于人形机器人传感器和控制系统中，能让机器人的信号传递速度大大提升，反应更加灵敏。 △ 石墨烯（来源：wwwfreepikcom） 2氧化锌纳米氧化锌纳米线是一种可用于传感器的纳米材料，具有显著的压电效应，能将机械能转化为电信号且响应时间极短，常应用于机器人的触觉传感器与压力感知阵列。其出色的信号转化能力和快速响应特性，能让机器人精准捕捉外界压力变化并及时反馈。在手术机器人中应用氧化锌纳米线集成传感器，可实时反馈手术操作中的组织接触力，辅助医生完成高精度的微创手术。 △ 手术机器人（来源：wwwintuitivecom）随着关键材料的不断突破和成本的下降，人形机器人将在工业生产、医疗健康、日常服务等多领域具备更广泛的应用能力。也许在不久的将来，人形机器人将真正进入我们的工作、生活，而这背后正是一项项材料创新所积累的力量。人形机器人的发展离不开新材料的支撑，而新材料的创新也会推动人形机器人向更智能、更人性化的方向前进。

机器人 材料人形来源关节

李江颖 2025-10-11 19:14:08

科研进展

近红外（NIR）光子探测与目标识别是自动驾驶、夜间监控和战术侦察等领域实现全天候目标识别的关键技术。然而，传统近红外探测系统受限于分立式架构与冯·诺依曼瓶颈，普遍存在能效低、信号传输延迟大等问题。利用红外敏感型易失性忆阻器构建的人工感知神经元，为实现低功耗实时高效处理的神经形态红外感知器件提供了新途径。近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心王佳宏团队在光电忆阻器领域取得新突破，在材料学术期刊Advanced Materials上发表了题为“2D Vanadium Carbide/Oxide Heterostructure-Based Artificial Sensory Neuron for Multi-Color Near-Infrared Object Recognition”的研究论文。该研究通过拓扑化学转化法开发出一种同时具备近红外响应特性和易失性电阻开关行为的二维碳化钒/氧化钒异质结构。基于该异质结构的忆阻器不仅在数千次循环中表现出稳定的阈值型电阻切换（RS）行为，而且具有近红外光功率强度和波长的阈值电压调制能力，可以实现人工感知神经元生物行为模拟。通过与YOLOv7算法结合构建用于多波段红外目标识别的人工神经网络（ANN），实现对FLIR数据集上多种目标物体的检测与识别（图1）。研究团队提出“新型红外响应光电忆阻器设计”新思路，工作亮点如下：多功能界面融合二维异质结构：通过对V2CTx进行精确控制的温和氧化拓扑化学转化，成功合成了具有多功能界面融合的V2C/V2O5-x二维异质结构。该结构通过金属性的V2C与富含氧空位的介电材料V2O5-x相结合，利用V2O5-x和V中空位扩散以及异质结界面处的V-O键重排，实现了忆阻器阈值型易失性电阻开关能力与近红外响应特性（图2）。卓越的多色近红外响应易失性型忆阻器：V2C/V2O5-x忆阻器展现出稳定的阈值型易失性特性，其转变电压的变异系数低至162%和17%。研究还发现，通过调节785nm至1550nm波段的近红外光功率密度与波长，可有效调控该忆阻器的阈值电压，模拟生物神经元的动态行为（图3）。复杂驾驶场景中关键物体的精准检测与识别：将V2C/V2O5-x忆阻器构建的人工感知神经元系统结合YOLOv7算法模型构建人工神经网络架构，在FLIR数据集上对智能驾驶场景中汽车和行人的平均识别准确率可以达到877%和896%，展现出在复杂环境下的感知潜力（图4）。这项工作不仅提出了一种新型红外响应光电忆阻器设计思路，更展示了神经形态计算与近红外感知融合的可能性。这种融合架构有望显著提升边缘计算设备的实时处理能力，为自动驾驶、智能安防等领域提供更高效、低功耗的超视觉感知解决方案中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心王佳宏副研究员为论文唯一通讯作者，渠源多博士及郝梦娣硕士研究生为论文共同第一作者。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金杰青项目、深圳市科技计划等项目支持。图1 |基于二维碳化钒/氧化钒异质结构的人工感知神经元实现多色近红外目标识别示意图图2 |V2C/V2O5-x异质结构制备示意图和结构表征图3 |Au/V2C/V2O5-x/ITO光电忆阻器的阈值转换特性及近红外光响应能力图4 |基于人工神经元的红外目标检测与识别神经网络系统

感知识别研究实现

李江颖 2025-09-29 17:27:02

技术成果

材料智能创制

李江颖 2025-09-12 17:19:02

技术成果

物理材料提取 稀有金属 技术

李江颖 2025-09-12 17:13:35

技术成果

利用 资源化 粉煤灰

李江颖 2025-09-12 17:03:08

技术成果

资源化 腐殖土 利用

李江颖 2025-09-12 17:01:35

技术成果

磷酸铁 再生 高品质 流程报废

李江颖 2025-09-12 16:55:35

技术成果

资源 锂电池 回收 磷酸铁 技术

李江颖 2025-09-12 16:54:07

技术成果

射线探测成像面板

李江颖 2025-09-12 16:52:19