华中科大联合港城大港理工Nature发文：陶瓷增材制造解锁仿生智能感知

近日，华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室联合香港城市大学、香港理工大学在仿生陶瓷增材制造取得突破，团队首次揭示海胆棘刺梯度多孔结构的机电感知天然机制，并通过仿生结构设计与增材制造技术成功复刻该功能，打破了无机材料/结构与有机生命感知功能之间的传统界限，不仅深化了对天然负载敏感型多孔结构（如木材、骨骼和海绵等）的跨越式理解，也将为生物医疗、能源储存、航空航天等领域的结构-功能一体化材料研发提供开创性原理与技术途径。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

研究背景

多孔结构因具备优异的物质传输、力学性能与能量吸收特性，广泛存在于木材、骨骼等自然系统，也被大量应用于催化剂载体、过滤介质等工程场景。受自然启发的仿生多孔结构往往兼具高强韧性与良好的损伤容限，成为研发下一代智能材料的重要方向，为多个高端领域的科研探索与工业应用提供关键灵感。

然而，天然多孔材料中潜藏的生物功能与物理机制仍远未被充分揭示，且传统无机材料/结构难以实现类似有机生命的感知功能，如何挖掘天然多孔结构的独特功能并转化为人工材料的设计范式，成为材料领域发展的关键挑战。

核心研究：海胆棘刺机电感知机制与仿生制造技术

• 天然结 构机电感知功能发现：团队首次发现海胆棘刺内部天然形成的梯度多孔结构具备意想不到的机电感知功能，其感知电位强度与响应速率较棘皮动物视觉感知提高1-3个数量级（逾千倍），即便是无神经细胞的海胆棘刺，也能通过该结构实现高效的力电感知。

• 机电感知核心机制解析：海胆棘刺的力电感知能力，源于其沿 [001] 棘轴的梯度双连续多孔结构：当液体流过该梯度孔隙结构时，不同孔径区域会产生表面电荷密度差，进而形成可检测的电信号，这一机制是海胆棘刺实现高效机电感知的核心原理。

• 仿生梯度多孔结构增材制造：受海胆棘刺天然结构启发，团队通过仿生结构设计与增材制造技术，成功制备出梯度陶瓷多孔结构，完美复现了天然的机电感知功能。该仿生制造技术展现出较高的材料普适性与结构依赖性，在多种陶瓷与高分子梯度结构中均能验证机电感知功能，且梯度结构的设计是实现该功能的关键。

  
  

技术性能与成果

• 性能大幅提升：与无梯度结构相比，仿生制备的梯度多孔结构陶瓷样品电压输出提升3倍，振幅增加8倍，机电感知的信号强度与响应效果实现跨越式提升。

• 打破传统界限： 该研究首 次实现了无机材料对有机生命感知功能的复刻，打破了无机材料/结构与有机生命感知 功能之间的传统认知界限，为材料功能设计提供了全新思路。

• 深化天然结构认知 ： 研究成果 深化了对 天然负载敏感型多孔结构（如木材、骨骼、海绵等）的理解，为挖掘更多天然结构的潜在功能提供了研究范式。

拓展应用：结构-功能一体化智能材料及器件

基于本次研究的仿生制造技术与机电感知原理，可进一步研发各类结构-功能一体化智能材料与器件，在多个高端领域展现出巨大应用潜力：

• 生物医疗领域：可开发具备感知功能的仿生植入器件、智能检测耗材，实现人体生理信号的实时、高效感知。

• 航空航天领域 ： 制备兼具力学性能与环境感知功能的结构材料，应用于航天器、航空设备的智能监测与防护。

• 能源储存领域 ： 研发带感知功能的能源器件结构，实现能源存储过程中的状态监测与安全预警。

目前，相关研究成果以"Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception"为题发表于国际顶级期刊

Nature

引用信息

Chen, A., Wang, Z., Guan, Z.et al.Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception. Nature(2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

转载自：PatEX国际知识产权转化平台

“TCT科技讲台”

汇聚顶尖院校科研中坚，聚焦增材制造的物理世界

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨daisylinzhu 微信

2509957133@qq.com 编辑邮箱

www.3dsciencevalley.com