研究大象鼻子，发了一篇Science！

在自然界中，触觉往往决定着生存质量。猫和老鼠依靠胡须感知环境，完成避障、觅食甚至猎捕。然而，与这些“会摆动”的胡须不同，大象的胡须既不能主动摆动，也无法再生，却要承担更加复杂的触觉任务——帮助象鼻完成抓握、探测和精细操控。长期以来，科学界更多关注胡须的几何结构和神经机制，却很少深入探究材料本身的内在梯度结构。

今日，德国马克斯普朗克智能系统研究所Katherine J. Kuchenbecker教授和Andrew K. Schulz揭示了亚洲象胡须内部存在几何、孔隙率和刚度三重功能梯度，这种“物理智能”设计显著放大触觉信号，为人工触觉传感器提供了全新启示。这项研究通过显微成像、微CT、纳米压痕与有限元分析等手段，首次完整刻画了亚洲象胡须从基部到尖端的结构与力学梯度变化。研究发现，大象胡须由“多孔刚性基部”逐渐过渡为“致密柔软尖端”，横截面由圆形变为椭圆形，同时伴随材料弹性模量跨越两个数量级的变化。这三种梯度协同作用，使得胡须在降低质量和破损风险的同时，显著增强接触位置编码能力，从而弥补其无法主动摆动的劣势。相关成果以“Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers”为题发表在《Science》上，Andrew K. Schulz、Lena V. Kaufmann和Lawrence T. Smith为共同第一作者。

几何梯度——从圆形到“刀片状”的结构智慧

从图1可以看到，大象胡须与鼠类胡须在整体结构上存在根本差异（图1A–D）。老鼠胡须通常呈圆形截面，并依赖毛囊肌肉主动摆动；而亚洲象胡须则缺乏毛囊驱动结构，完全依靠被动接触产生振动信号。研究人员利用显微镜与微CT成像发现，象鼻远端（负责抓握与精细操作）的胡须呈高度渐缩结构，横截面为椭圆形，类似刀片（图1F）。随着大象成长，这种椭圆长宽比还会进一步提高（图1G）。这种形态意味着：胡须在沿象鼻轴向更容易弯曲，而在环向更为刚硬，使其对特定方向的接触更加敏感。相比之下，象鼻近端胡须则更加粗壮、接近圆形，并呈波浪状半径变化结构，类似海豹胡须的减振设计。这暗示远端胡须偏向精细触觉分辨，而近端胡须更像“防撞雷达”，用于全向障碍感知。简单来说，象鼻不同区域的胡须，就像分工明确的“触觉阵列”：前端负责精准操作，后端负责环境预警。

图1：亚洲象胡须的几何梯度结构——远端椭圆刀片状，近端接近圆形。

孔隙梯度——“像羊角一样”的轻量化设计

如果说几何结构是第一重梯度，那么材料内部结构则构成第二重核心设计。图2展示了扫描电镜和微CT结果。与老鼠胡须仅有单一髓腔不同，大象胡须基部存在大量纵向空心管道（图2F–H），直径可达30–40微米。这种结构与羊角、马蹄等角蛋白复合材料极为相似。定量分析显示，大象胡须基部孔隙率高达约70%甚至更高，而在长度20%之后迅速过渡为几乎完全致密结构（图2I）。远端胡须基部孔隙率甚至达到82%。这种由“多孔”到“致密”的轴向梯度，在其他陆生动物胡须中极为罕见。有限元分析进一步表明，虽然孔隙梯度对振型影响有限，但显著降低了整体质量，并提高固有频率（图2J）。根据振动理论，频率与质量成反比关系，因此减轻质量可以提升振动响应速度。更重要的是，多孔结构具有优异的冲击吸收能力。考虑到大象一生可能使用胡须数十年且无法再生，这种“角状微结构”有效提高了抗损伤能力。

图2：胡须内部孔隙梯度——基部多孔管道结构，向尖端逐渐致密。

刚度梯度——两个数量级的跨越

第三重，也是最令人惊叹的，是弹性模量的巨大梯度变化。通过纳米压痕实验（图3A–F），研究人员测得成年亚洲象胡须基部弹性模量高达2.99 GPa，而尖端仅为0.0706 GPa，差距接近两个数量级（图3H）。这种“硬基部+软尖端”结构，使胡须成为天然的“聚合物-弹性体复合体”。压痕实验显示，基部发生塑性形变，而尖端则表现出典型弹性恢复行为（图3C–F）。相比之下，大象体毛并不存在如此显著的刚度梯度。有趣的是，猫胡须也存在类似趋势，而老鼠胡须则呈现较为温和的变化。这提示刚度梯度可能是对触觉功能的适应性进化，而非单纯结构特征。

图3：弹性模量梯度——基部刚硬，尖端柔软，跨越两个数量级

梯度协同——让触觉信号“放大2000%

图4通过有限元仿真揭示了功能梯度的协同效果。当尖端受力时，具有刚度梯度的胡须产生接近两倍位移（图4A–B），而基部应力峰值则降低33%（图4C–D），显著减少断裂风险。更关键的是，在动态接触模拟中，刚度梯度显著放大不同接触位置的信号差异。当在60%长度处触碰时，基部信号功率相较尖端接触增加高达2000%（图4H）。这意味着，胡须可以通过振动幅值与频率组合，精准编码接触位置。换言之，大象无需主动“摆动”，仅依靠材料本身梯度结构，就能增强触觉分辨率。

图4：有限元分析——刚度梯度增强位移响应并放大接触信号差异。

小结

这项研究表明，大象胡须通过几何、孔隙和刚度三重功能梯度，实现了质量减轻、抗损伤增强与触觉信号放大的协同优化。这种“物理智能”结构，使象鼻在无法主动摆动的条件下，仍能完成复杂触觉任务。对于工程领域而言，这种天然的功能梯度材料设计为人工触觉传感器、柔性机器人触须乃至可穿戴触觉设备提供了重要启示。未来，借鉴这种“硬基软尖、内轻外密”的梯度策略，或将帮助构建既耐久又灵敏的新一代触觉系统。