港城大团队揭示海胆棘刺梯度多孔结构机电感知机制

由香港城市大学（港城大）工学院院长、机械工程学系讲座教授吕坚教授领导的研究团队，首次揭示海胆棘刺内部天然形成的多孔陶瓷结构存在出人意料的“机电感知”功能。当水滴或水流掠过棘刺表面时，其梯度多孔结构能实时产生可测量的电压信号，反应速度较棘皮动物的视觉感知快逾千倍。

图为港城大工学院院长、机械工程学系讲座教授吕坚教授

研究团队受这一自然结构启发，结合仿生结构设计与3D打印技术，成功复制并强化这项感知能力，为新一代智能感测与水下监测材料开辟了全新方向。

这项题为《棘皮动物多孔立体网状骨架梯度结构赋予机电感知能力》的研究成果，近日于国际顶尖学术期刊《自然》上发表。该研究由港城大与香港理工大学、华中科技大学合作完成。

研究人员在对长棘海胆进行原位观察时发现，当一滴海水落在棘刺尖端时，棘刺会在约一秒内迅速偏转，表明其对外界刺激具有高度敏感的触觉反应。进一步的电压测量显示，水滴刺激可产生约百毫伏的瞬时电位，而水流经过时也能引发稳定的电信号，整个反应仅需数十毫秒。即使棘刺已不含任何活细胞组织，仍能产生相同的电压变化，证明此感知能力并非来自神经或生物组织，而是源自材料与微结构本身的物理机制。

通过扫描电子显微镜和微电脑断层扫描分析，研究团队发现，棘刺内部由一种被称为“stereom”的双连续多孔骨架构成，并沿棘刺轴线呈现明显的孔径梯度变化。与基部相比，尖端区域的孔径更细小、孔隙率更高、比表面积更大，使液体流经时能加强固液界面的电荷分离效应。当水流剪切这些微孔通道时，界面会形成电双层并产生流动电势，从而转化为可测量的电压信号，使棘刺犹如一个天然的微型传感器。

为验证这种结构是否具有普适性，研究团队利用光固化3D打印技术，制作出仿棘刺梯度多孔结构的高分子及陶瓷样品。实验结果显示，与没有梯度设计的样品相比，仿生梯度结构的电压输出提升约三倍，信号振幅增加约八倍，证明机电感知功能主要由拓朴结构驱动，而非材料本身的性质所决定。研究人员进一步构建了由多个梯度单元组成的仿生超材料机械传感器，该装置能够在水下实时探测水流方向与强度，并进行时间分辨的自我监测，无须额外的外置传感器或电源。

图为梯度细胞结构赋予机电感知的通用性、实用性与适用性

吕教授表示：“通过仿生结构设计与3D打印技术，我们成功把这种自然智慧转化为智能材料。通过制造仿生功能材料，我们希望把自然界的结构功能一体化概念，延伸至工程材料，开创新一代具自感知能力的智能系统。”

这项研究突破了天然多孔结构仅用于提升力学性能的传统认知，揭示了这一材料同时具备感知功能的潜力，为结构功能一体化材料设计提供了新的思路。随着3D打印技术的不断突破，这套仿生梯度多孔结构可在海洋环境监测、智能水下探测、水资源管理、能源储存、生物医疗，以及航空航天工程等领域应用，成为新一代结构功能一体化材料的设计基石。

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