香港理工大学研究拆解海胆棘刺「机电感知」能力 赋能新一代仿生传感器
发布时间：2026-3-5 18:11
发布者：eechina
海胆的棘刺除了有防御功能，原来还是天然传感器。由香港理工大学（理大）协理副校长（研究）、研究生院院长、郭氏集团仿生工程教授兼机械工程学系讲座教授王钻开教授联合香港城市大学、华中科技大学学者组成的研究团队首次发现海胆棘刺内部的梯度多孔结构具有强大机电感知能力，能迅速感应水流。团队并利用3D打印技术制造出仿生新材料传感器，为传感技术带来重大突破，推动海洋环境监测、水下基建管理等深海科技的发展，更可拓展应用至脑机接口、航空航天等新兴领域。
由理大协理副校长（研究）、研究生院院长、郭氏集团仿生工程教授兼机械工程学系讲座教授王钻开教授带领的研究团队，首次发现海胆棘刺内部的梯度多孔结构具有强大机电感知能力，能在水流经过时产生电讯号，并利用3D打印技术制造仿生超材料传感器。 研究团队在刺冠海胆（Diadema setosum）身上观察到，当海水滴落在棘刺尖端时，棘刺会在一秒内迅速旋转。他们利用电学测量，发现棘刺受水滴刺激后，内部会产生约百毫伏电压；而棘刺浸在水中时，水流刺激也能产生约数十毫伏的电压。这种机电感知能力在已死亡的棘刺中都能出现，证相关机制与生物细胞无关。 这种反应源自棘刺内部的双连续梯度多孔立体网状骨架（stereom）：由大小不一的孔洞组成，并沿棘刺的基部到尖端逐渐变化，基部孔洞较大、固体密度较低，尖端孔洞较小、固体密度较高。当水流经多孔结构时，固液界面发生相互作用，流动液体对双电层产生剪切作用，并诱导界面电荷的分离和重新排布，从而产生电压差。而梯度结构会令水流与孔壁的碰撞更剧烈、电压差更强，提升棘刺的感知能力。 受上述发现启发，研究团队利用光固化3D打印技术，以高分子聚合物和陶瓷制作模仿棘刺结构的样本。实验证实在水流刺激下，仿生设计相较一般非梯度设计，电压输出高约三倍，讯号振幅更增约八倍，显示机电感知能力的关键在于结构而非材料。他们并构建了一款3 × 3 阵列仿生3D超材料机械传感器，各组件均采用了梯度多孔结构，无需额外电源，即可在水下实时记录电讯号，并精准定位水流冲击位置。 研究团队指，海胆棘刺的梯度多孔结构强化了讯号的传递，提升传感器的精准度及灵敏度。这种强大机电感知机制可以复制至不同材料，更有望延伸至感测水流以外的各种讯号，包括压力、震动、电波等，启发其他领域的传感技术，例如在脑机接口中用以增强脑电波及神经讯号的传递，应用潜力无可限量。 王钻开教授表示：「相比传统机械传感器，团队设计的仿生超材料传感器在可生产性、结构设计可能性、材料通用性、几何与性能控制能力及水下自我感测时间差能力等方面均更胜一筹。我们期望结合多孔结构的梯度与3D打印技术，以不同材料、孔径及表面特征来制造更多仿生超材料传感器，在更多领域发挥应用潜力。」 王教授团队长期致力于仿生科学与工程研究，曾受荷叶自清洁效应与南洋杉表面液体自发驱动现象启发，开发具备快速排水功能的新型功能材料；以及模仿真菌喷射孢子的生物机制，研发能自主弹射冷冻水滴的防结冰结构。他期望研究能为开发仿生材料开辟全新思路：「对于天然多孔材料而言，强度等力学性能或许并非其核心功能，而只是复杂生物矿化过程的次要效应。深入探索这些鲜为人知的生物机制，全面认识并充分利用天然材料，对推动仿生研究发展具有至关重要的意义。」 此项联合研究由王钻开教授与香港城市大学的吕坚教授，以及华中科技大学的闫春泽教授和苏彬教授共同领导，已刊登于国际学术期刊《自然》上。 |
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