海星如何构建出能“看见”的材料

当工程师们考虑用于包装和支撑等用途的保护性材料时，他们通常会想到强度、刚度和耐久性。但如果这些材料还能感知外部环境呢？

李凌是材料科学与工程系的副教授，他是在他的实验室和同事们研究海星如何构建轻量而富有弹性的骨骼时，意外想到这个问题的。

“我们研究海星，是为了理解大自然如何创造出既坚固又轻量的多孔骨骼材料，”李凌说。“然后我们发现了嵌入海星腕末端的透镜状结构。”

这一意外发现成为了发表在《美国国家科学院院刊》上一项研究的焦点。在该研究中，李凌、博士生、第一作者陈柳妮，以及来自宾夕法尼亚大学工程学院、弗吉尼亚理工大学、麻省理工学院、鲍登学院、南卡罗来纳大学和柏林楚泽研究所的合作者揭示，结节原海星（Protoreaster nodosus）的骨骼中含有能够引导和汇聚光线的特殊矿物结构。这一发现表明，大自然可能已经演化出一种在同一材料系统中将机械支撑和光学感知结合起来的方式。

李凌认识到这一发现是偶然的，但海星骨骼的多功能性是自然选择的结果，也在预期之中。

“天然材料往往需要同时具备多种功能，”李凌说。“它们提供结构支撑、保护、感知和其他功能。我们研究这些系统是如何设计的，然后提炼出背后的原理，用以启发未来的工程材料设计，例如轻量、抗冲击结构，能够感知损伤的自监测材料，以及用于航空航天、交通运输和防护应用的架构化材料。”

与其他棘皮动物——包括海胆和蛇尾——一样，海星用碳酸钙构建骨骼，这是一种工程师们非常熟悉的矿物。虽然轻量且储量丰富，但碳酸钙本身就很脆。而多孔化虽然是一种常见的减重手段，却通常会让它变得更加脆弱。

然而，海星却以某种方式实现了相反的结果。它们的骨骼高度多孔，却依然坚固、有弹性，能够承受海洋生活的各种需求。

李教授的团队最初着手了解这种非凡的骨骼结构是如何运作的，由此发现了一种独特的双尺度微晶格结构，并被《科学》杂志选为封面文章发表。但当他们检查海星腕的末端时，注意到了一些不寻常的东西：数十个光滑的透镜状突起镶嵌在矿物骨骼中。

利用高分辨率成像和光学实验，研究人员发现这些被称为导光结构的结构像微小的矿物锥一样深深嵌入骨骼内部。它们不仅仅起到机械支撑的作用，还能将入射光传输并聚焦到骨骼元件内部的空腔中。光学模拟显示，单个结构可以引导大约70%的入射光，并将其汇聚到结构的底部。当这些结构以阵列形式协同工作时，它们可以在宽广的视野范围内收集光线，产生的信号比任何单个结构要强好几倍。

这一发现有助于解开一个长期存在的谜团。科学家早在几十年前就在海星和海蛇尾中观察到了类似的透镜状特征，但它们的功能一直不明确。

“另一个研究团队已经在海蛇尾中发现了相关的透镜结构，”李说。“当我们在海星中发现类似特征时，我们能够把这些线索串起来，并进行系统研究。”

该研究团队结合了材料科学、光学、生物学、晶体学和计算建模方面的专业知识，不仅要了解这些结构长什么样，还要了解它们在动物日常生活中可能发挥什么作用。

光感知可以帮助海洋生物探测捕食者、寻找庇护所、定位食物以及导航。尽管这些结构的确切生物学作用仍在研究中，但这项工作表明，海星骨骼不仅仅是为了提供支撑和保护。

对于工程师来说，这种多功能性可能是这一发现最令人兴奋的方面。

“在自然界中，一种结构往往有多种用途，因为生物体制造材料代价很高，”李说。“进化往往会使用相同的材料系统来实现多种功能，因此在材料制造和设计中采用这种方法只会让我们的工程结构性能更好、成本更低。”

将海星骨骼的启示应用于工程材料

多功能设计在工程领域并非新概念，但给材料增加额外功能往往要付出代价。比如加装传感器，可能会影响强度、重量或耐久性。

李的实验室为这种工程方法带来的新思路，是他向自然寻求解决方案的方式。海星的做法可以成为一个宝贵的借鉴。

“这种动物没有把传感组件附加在保护性结构上，而是将光学功能直接嵌入其骨骼架构中，”李说。“提供支撑的同一多孔矿物框架还包含内置的光导元件，而这些生物经过数百万年的进化，已经把这些功能打磨得非常完善。”

为什么这种多功能性的组合在工程中如此重要？

自然界中的这个例子可以给未来的工程材料带来启发，比如轻质泡沫、包装材料，以及既能保护自身又能监测周围环境的航天器结构部件。

轻质多孔材料和泡沫广泛用于包装、运输和结构支撑等领域，但它们通常只起到机械支撑的作用。受海星启发，工程师可以设想未来的材料既能融入传感能力，又不必牺牲结构性能。

“想象一种保护面板，它不仅能吸收冲击，还能监测环境条件、检测损伤或反馈周围环境的信息，”李说。“海星告诉我们，这种多功能组合或许是可以实现的。”

多孔结构提升强度

这项研究还揭示了自然的另一个启示：几何结构至关重要。

海星骨骼由复杂的孔隙网络构成，既能最大限度减少材料用量，又能保持机械性能。在传统工程材料中，引入孔隙通常会降低刚度和强度。海星则通过精妙的架构设计化解了这一难题。

“在微观尺度上，孔隙之间的衔接极为平滑，”李解释说。“这样应力就能更均匀地分布到整个结构中。”

李团队此前的研究表明，这些骨骼架构还能将断裂控制在局部，防止小裂纹扩展到整个系统。这些策略共同作用，使一种脆性矿物展现出传统陶瓷材料通常无法实现的力学行为。

导光结构的发现，让这个本就非凡的材料系统更添一层精妙。在模拟中，这些结构不仅传输光线，还增强了周围骨骼的刚度，进一步印证了光学功能和机械功能可以在同一设计中并存。

自然奥秘仍待探索

这样的发现凸显了出于好奇去研究自然系统的价值，而非只盯着眼前的应用。

“很多最有趣的发现都是碰巧得来的，”李说。“关于这些生物如何运作，我们仍有很多未知之处。”

这种探索精神一直引领着实验室的研究方向。这个团队目前正在研究导光结构在生长和再生过程中是怎么形成的，这个过程叫做生物矿化和形态发生。了解海星如何构建这些复杂的矿物结构，可能为可持续制造和材料生产带来新的启发。

“大自然在常温常压下就能造出复杂的矿物结构，消耗的能量比很多工业制造过程少得多，”李说。“通过揭示这些生物系统背后的机制，我们就能找到更高效制造先进材料的新方法。”

更多信息： Liuni Chen 等，海星（Protoreaster nodosus，网瘤海星）多孔方解石骨架中的生物矿化导光结构，《美国国家科学院院刊》（2026）。DOI: 10.1073/pnas.2533437123