香港理工大学的研究揭示了海胆棘刺中的机械电感知机制，为下一代仿生传感器的发展奠定了基础。

　　

海胆的棘刺不仅用于防御，还能作为天然传感器。由香港 理工大学副校长（研究及创新）、研究生院院长、郭氏自然启发工程教授、机械工程系讲座教授王钻凯教授领导的研究团队， 携手香港城市大学和华中科技大学的学者，发现海胆棘刺中蕴含着机械电感知能力，这种能力源于其梯度多孔结构，使棘刺能够瞬间感知水流。该团队利用3D打印技术复制了这种结构，并开发出一种仿生超材料传感器，有望在传感技术领域取得突破性进展。这项创新将推动深海技术的发展，例如海洋监测和水下基础设施管理，并有望拓展到脑机接口和航空航天等其他新兴领域。

研究团队发现，在长棘海胆（Diadema setosum）中，当海水液滴撞击棘刺尖端时，棘刺会在一秒内快速旋转。电学测量表明，液滴模拟会在棘刺内部产生约100毫伏的电压；当棘刺浸入水中时，水流刺激会触发数十毫伏的电压。即使在死亡的棘刺中也能观察到这种机械电响应，表明该机制与生物细胞无关。

这种响应源于棘刺的立体结构——由大小和分布各异的孔隙构成的多孔内部骨架。这些孔隙沿棘刺从基部到尖端呈现渐变梯度：基部孔隙较大，固体密度较低；尖端孔隙较小，固体密度较高，形成双连续梯度多孔结构。当水流经多孔结构时，会发生固液界面相互作用，水流会对双电层施加剪切力，导致界面电荷分离和重新分布，从而产生电压差。梯度结构增强了水流与孔隙表面的相互作用，产生更大的电压差，进而增强了脊状结构的传感能力。

受这些发现的启发，研究人员利用光固化3D打印技术，用聚合物和陶瓷材料制造出类似脊柱立体结构的仿生样品。实验表明，在水流刺激下，这种仿脊柱设计产生的电压输出比非梯度设计高约三倍，振幅高约八倍，这表明机械电感知的关键在于结构而非材料。他们还构建了一种仿生3D超材料机械感受器，该感受器采用3×3阵列设计，每个单元均由梯度多孔材料制成。这种机械感受器无需额外供电，即可在水下实时记录电信号并精确定位水流冲击的位置。

 

该团队设计的仿生三维超材料机械感受器采用3×3阵列结构，每个单元均由梯度多孔材料制成。它无需额外供电，即可在水下实时记录电压信号并精确定位水流冲击的位置。

研究团队指出，海胆棘刺中的梯度多孔结构能够增强信号传输，从而提高机械感受器的精度和灵敏度。通过在不同的材料中复制这种结构，可以将其应用范围从水流传感扩展到多种信号类型，包括压力、振动和电磁波的测量。这将启发多个领域的传感技术，例如将其应用于脑机接口，以增强对脑电波和神经信号的感知，具有巨大的应用潜力。

王钻凯教授 表示：“与传统机械感受器相比，我们的设计在可制造性、结构设计灵活性、材料多样性、几何和性能控制以及实时水下自感知方面都表现出色。利用多孔材料的梯度特性和3D打印技术，我们致力于生产更多具有不同材料、孔径和表面特征的仿生超材料传感器，以支持其在众多领域的潜在应用。”

王教授的团队一直处于自然启发科学与工程研究的前沿，他们发明了多种新型材料，包括受荷叶启发、能够快速疏水的自清洁表面；受南洋杉叶启发、能够实现液体自驱动输送的表面；以及通过模仿真菌孢子喷射的生物机制，实现冰冻液滴自发喷射的防冰结构。他认为，他们的研究将为自然启发材料的开发开辟新的途径。

“对于天然多孔材料而言，强度等力学性能可能并非其主要功能，而是复杂生物矿化过程的副产品。揭示材料传统功能之外的未知机制，有助于我们更全面地理解和充分利用这些自然资源。这对于推进仿生学研究至关重要。”他补充道。

这项联合研究由香港城市大学的卢健教授和华中科技大学的严春泽教授、苏斌教授共同领导。