《Nature》：Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception
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针对水下传感技术需求，本研究揭示了海胆棘刺凭借其梯度胞状立体网架结构，展现出卓越的机械电感知能力。通过模拟其梯度结构，研究人员利用3D打印技术成功制备了人工仿生结构，其电压输出和振幅差显著优于无梯度样本，并构建了可用于水下时空感知的自然启发式超材料机械感受器。
在深邃的海洋中，棘皮动物海胆以其布满尖刺的外表而为人熟知。长久以来，科学家们普遍认为这些由生物矿化形成的多孔立体网架（stereom）结构，其光滑的枝干和节点形态主要服务于增强机械性能，如提供结构强度和损伤容限。然而，自然界的设计往往蕴含着超越单一功能性的精妙智慧。探索这些天然胞状固体（cellular solids）在传统力学防御功能之外的潜在作用，对于全面理解并利用这类广泛存在于木材、海绵和骨小梁等自然与工程系统中的材料，具有重要意义。水下环境的高效感知与资源利用是当前技术发展的前沿挑战，那么，海胆的棘刺是否隐藏着不为人知的感知奥秘，并能为新型传感材料的设计带来启发呢？
为解决上述问题，一项发表在《Nature》上的研究对长刺海胆（Diadema setosum）的棘刺进行了深入探究。研究人员综合运用了多种技术方法。他们首先通过高速度摄像（1,000 fps）原位观察活体海胆棘刺对海水液滴刺激的物理响应，并利用数据采集和数字万用表系统精确测量其在受控水流刺激下的电信号。在结构表征方面，研究采用了扫描电子显微镜（SEM）和微计算机断层扫描（μ-CT）来解析棘刺内部从基部到顶端的梯度胞状结构细节，并通过三维重建和数字核心分析技术量化了孔隙、喉道的直径分布、比表面积和孔隙率。为了验证感知机制并实现仿生应用，团队基于三周期极小曲面（TPMS）模型，利用料槽光聚合3D打印技术（vat photopolymerization 3D printing）制备了模拟天然梯度结构的人工聚合物和陶瓷样本。此外，还通过有限元模拟软件分析了梯度结构内的流体动力学行为，并通过Zeta电位测试和开尔文探针力显微镜等手段探究了固液界面的电荷行为。
梯度胞状结构在棘刺中的体现
通过对棘刺进行SEM和μ-CT观察，发现其沿[001]轴方向（从基部到顶端）存在连续的形态梯度。棘刺主要由多孔的立体网架网络、内部中空通道和致密的外层棘轮层构成。立体网架呈现典型的双连续形态，包含固相和孔隙相。重要的是，无论是固相还是孔隙相的直径都沿[001]方向显著减小。在棘刺顶端，立体网架具有更高的比表面积（约2.50 m2g-1）和孔隙率（约66.9%），这增强了固液界面相互作用和碰撞位点数量。
机械电感知能力
对活体海胆棘刺的观测显示，当海水液滴落在棘刺顶端时，棘刺会在约1秒内产生约10°的快速旋转，而周围未受刺激的棘刺则无反应，响应时间约88毫秒。电学测量表明，在空气中对棘刺顶端施加海水滴刺激时，其产生的电势峰值可达约116 mV；在海水流动刺激下，浸没的棘刺也能产生约30 mV的瞬态响应。值得注意的是，棘刺对液滴刺激的响应电势在活体与死亡状态下没有显著差异，表明这种感知能力不依赖于活体组织。与棘皮动物视觉以及其他一些海洋动物（如箱型水母、招潮蟹、斑马鱼）的感知能力相比，海胆棘刺的机械电感知在响应电势和响应时间上要高出1到3个数量级。
机械电感知机制
研究发现，棘刺的感知能力源于其梯度胞状结构在水流作用下产生的流势（streaming potential）。当液体（水或海水）流经湿润的立体网架微通道时，会剪切固液界面形成的电双层（electric double layer, EDL），导致电荷分离和重排，从而产生电势差；水流停止后，电荷重新分布，电势差消失。棘刺顶端的立体网架具有更小的孔隙直径和更大的比表面积，这增强了流体速度、液体压力以及EDL的剪切变形，从而提高了界面电荷密度。因此，测得的流势随流速增加而增大。海水中的高离子强度会导致EDL压缩，降低界面离子迁移率和电荷密度，但流势现象依然存在。
普适性与应用前景
受自然启发，研究人员使用3D打印技术制造了模拟海胆棘刺梯度立体网架形态的人工样品，材料包括聚合物（如聚氨酯丙烯酸酯PUA、聚乳酸PLA）和陶瓷（如羟基磷灰石HAp、氧化铝Al2O3）。这些仿生样品在注水时均能产生明显的电压输出。与无梯度结构的样品相比，具有梯度结构的仿生样品电压输出提高了三倍，振幅差增加了八倍。进一步地，团队构建了一个由9个具有梯度胞状结构的节点单元组成的自然启发式三维超材料机械感受器。该感受器能够在水下对水流进行时空分辨的自我监测和定位映射，无需外部传感器，展现了卓越的制造性、结构可设计性、材料普适性以及性能可控性。
结论与重要意义
本研究揭示了一种先前未被探索的海胆棘刺生物矿化脊柱内的机械电感知机制。沿[001]棘刺轴线的梯度胞状固体通过在水流中产生显著的流势，赋予了其卓越的感知能力。这一机制的核心在于棘刺顶端的立体网架微结构具有更小的直径、更高的孔隙率和更大的比表面积，从而在水流中增强了固液界面的电荷密度。这一发现不仅加深了对棘皮动物未被充分认识的感知能力的理解，也推进了对木材、海绵、骨小梁等天然负荷敏感仿生胞状固体的认识。更重要的是，通过3D打印技术成功复现了这种梯度结构驱动的感知功能，并展示了其在构建新型水下传感设备方面的巨大潜力。该研究将梯度结构的设计原理与流势传感机制相结合，为开发用于水下时空感知和水资源利用的功能梯度胞状材料开辟了新的道路，在海洋环境监测、智能水下勘探和水资源管理等领域具有广阔的应用前景。
