海膽棘刺卓越的機(jī)電感知能力，源于其沿[100]軸向的連續(xù)變化的梯度多孔結(jié)構(gòu)。香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開教授、華中科技大學(xué)閆春澤教授與蘇彬教授等研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地采用場(chǎng)驅(qū)動(dòng)多拓?fù)涮卣黢詈显O(shè)計(jì)方法，結(jié)合高精度光固化3D打印技術(shù)，不僅完美復(fù)現(xiàn)了棘刺的梯度孔隙特征，更成功再現(xiàn)了其機(jī)電感知功能。

該研究實(shí)現(xiàn)增材制造從被動(dòng)“復(fù)制結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)“創(chuàng)造功能”，在無機(jī)材料/結(jié)構(gòu)與有機(jī)生命感知之間建立了前所未有的橋梁。這一里程碑研究成功發(fā)表于國(guó)際頂刊《Nature》，標(biāo)題為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”，第一作者是香港城市大學(xué)陳安南博士、王子秦博士生。

原位觀察表明（圖1），活海膽棘刺具備相互獨(dú)立且高度敏感的觸覺感知能力。當(dāng)棘刺受到滴液刺激時(shí)，會(huì)在1 s內(nèi)相對(duì)于體殼軸線發(fā)生約10°的快速、可觀測(cè)旋轉(zhuǎn)；相比之下，周圍未受刺激的棘刺無任何響應(yīng)?；诟咚俪上駵y(cè)量，該機(jī)電感知響應(yīng)的特征時(shí)間約為88 ms。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)字萬用表測(cè)得其感知電勢(shì)峰值約為116 mV，具有實(shí)時(shí)、可重復(fù)的刺激響應(yīng)性。該感知電位與響應(yīng)速度較棘皮動(dòng)物傳統(tǒng)視覺高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，將棘刺浸沒于海水中，在海水流動(dòng)刺激下同樣可檢測(cè)得峰值約為30 mV的感知電位。通過組織學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了棘刺外表面及其三維結(jié)構(gòu)中均未發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞組織，這表明棘刺感知電勢(shì)不依賴于存活組織，其背后存在一種此前未被認(rèn)知的物理/結(jié)構(gòu)起源機(jī)制。

圖1.活體海膽棘刺機(jī)電感知的原位觀察。

SEM與μ-CT結(jié)果揭示生物礦化的海膽棘刺沿[001] 方向（由基部至尖端）具有雙連續(xù)（固相與孔隙相均連續(xù)）梯度的多孔立體網(wǎng)狀骨架（stereom）。stereom 材料組分以含鎂方解石為主，伴隨無定形碳酸鈣以及少量晶內(nèi)有機(jī)組分（約1.4 wt%）。其微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高曲率、平滑的最小曲面特征。尤為重要的是，棘刺尖端的多孔結(jié)構(gòu)比根部表現(xiàn)出更小的孔徑尺寸、更高的比表面積與孔隙率。該梯度多孔結(jié)構(gòu)有望促進(jìn)棘刺內(nèi)部的流體對(duì)流與傳質(zhì)過程，從而提升液體在骨架網(wǎng)絡(luò)中的輸運(yùn)效率。此外，尖端區(qū)域更高的孔隙率與更小的孔隙特征尺度可增強(qiáng)固–液界面的相互作用強(qiáng)度，而更大的比表面積則提供更多界面接觸與碰撞位點(diǎn)，從而有利于界面過程的發(fā)生與放大（圖2）。

圖2.海膽棘刺梯度多孔結(jié)構(gòu)分析。

當(dāng)棘刺完全潤(rùn)濕時(shí)，表現(xiàn)出對(duì)液體的實(shí)時(shí)響應(yīng)電勢(shì)：流體運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生響應(yīng)電壓，而在流動(dòng)停止后電壓消失。這種響應(yīng)電勢(shì)主要源自流動(dòng)電勢(shì)。具體而言，棘刺與液體初次接觸時(shí)發(fā)生界面電荷轉(zhuǎn)移，并在固–液界面建立電雙層（EDL）。當(dāng)棘刺被完全潤(rùn)濕后，液體流動(dòng)對(duì)EDL產(chǎn)生剪切作用，誘導(dǎo)界面電荷的分離與重新分布，從而形成流動(dòng)電勢(shì)；當(dāng)流動(dòng)終止，電荷分離過程隨之停止，界面電荷發(fā)生回遷與復(fù)合，導(dǎo)致電勢(shì)差消散。在海水流經(jīng)棘刺時(shí)同樣可檢測(cè)到該流動(dòng)電勢(shì)。

有限元模擬結(jié)果表明：與棘刺基部相比，尖端的孔隙相特征尺寸更小，可顯著提高局部流速與液體壓力，從而增強(qiáng)剪切驅(qū)動(dòng)的EDL形變與擾動(dòng)，進(jìn)而提升界面電荷密度。相應(yīng)地，測(cè)得的流動(dòng)電勢(shì)隨流速增加而升高，表明流動(dòng)引起的壓力提升可通過進(jìn)一步壓縮EDL來增強(qiáng)表面電荷密度。此外，尖端stereom更高的比表面積有利于提高EDL的建立密度與固–液界面碰撞頻次，從而進(jìn)一步抬升界面電荷密度。綜上，沿[001]棘軸方向顯著的孔隙相梯度是產(chǎn)生高幅值流動(dòng)電勢(shì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使棘刺在水環(huán)境中獲得卓越的機(jī)電感知能力（圖3）。

圖3.海膽棘刺內(nèi)的機(jī)電感知機(jī)制。

受此啟發(fā)，該研究結(jié)合仿生設(shè)計(jì)與光固化3D打印技術(shù)，使用陶瓷和摩方精密HTL樹脂材料構(gòu)建了仿棘刺梯度結(jié)構(gòu)的人工樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同材料仿生梯度結(jié)構(gòu)均可復(fù)現(xiàn)機(jī)電感知功能，且其電壓輸出比無梯度結(jié)構(gòu)提升約 3倍，響應(yīng)振幅提高約8倍。 這些結(jié)果證明了梯度 多孔 結(jié)構(gòu)賦能機(jī)電感知 功能的材料 普適性 與梯度結(jié)構(gòu)依賴性 （ 圖 4 ） 。 進(jìn)一步，構(gòu)建的仿生 三維超材料機(jī)械感受器，在無需額外外置 電源 的條件下， 可 在水下獲得具有時(shí)間分辨率的自監(jiān)測(cè)信息。與傳統(tǒng)微格子 /多孔結(jié)構(gòu)機(jī)械感受器相比，該仿生三維超材料在可制造性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度、材料體系通用性、幾何與性能可控性以及水下時(shí)間分辨自感知能力方面表現(xiàn)出更優(yōu)的綜合性能 ， 有望服務(wù)于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能化水下探測(cè)以及水資源管理等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

圖4.梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)賦予機(jī)電感知的通用性、實(shí)用性和適用性。

重要意義與未來展望：

此項(xiàng)研究將增材制造的研究前沿，從宏觀拓?fù)鋬?yōu)化推向更具挑戰(zhàn)的微觀結(jié)構(gòu)梯度編程與功能直接集成，為未來尖端智能器件的設(shè)計(jì)與制造開辟了全新路徑，極大地拓展了其在高端裝備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用深度與廣度。更為重要的是，本研究確立了一套“發(fā)現(xiàn)自然獨(dú)特功能→解析其結(jié)構(gòu)本源→增材制造復(fù)現(xiàn)與優(yōu)化”的完整研究范式。這套可復(fù)制的藍(lán)圖，為未來利用增材制造技術(shù)解鎖更多自然奧秘、創(chuàng)造新一代多功能材料與智能結(jié)構(gòu)，提供了堅(jiān)實(shí)的方法論基礎(chǔ)。

該研究工作的重要學(xué)術(shù)價(jià)值與創(chuàng)新性獲得了國(guó)際頂尖期刊《Nature》的認(rèn)可，其專欄“News & Views”對(duì)此進(jìn)行了專題評(píng)述。相關(guān)信息如下：Gilbert, P. U. P. A. Sea-urchin spines can sense water flow. Nature(News & Views) (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-00374-6.

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

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