2026年2月25日，來自香港城市大學(xué)、香港理工大學(xué)、吉林大學(xué)以及華中科技大學(xué)的研究團隊在《Nature》發(fā)表論文，題目為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”（棘皮動物立體梯度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機械電感知）。研究團隊揭示了海膽刺中未被發(fā)現(xiàn)的機械-電感知機制，并利用高精度3D打印技術(shù)成功復(fù)現(xiàn)了基于這種結(jié)構(gòu)梯度的感知能力。

研究背景

目前的增材制造與仿生工程研究多聚焦于模仿自然界“多孔固體”（如木材、骨骼）的力學(xué)性能，例如輕質(zhì)高強或能量吸收。然而，自然界中的這些結(jié)構(gòu)往往不僅是為了機械防御，還可能承載著感知等進(jìn)化功能，這一點常被工程學(xué)界忽視。

海膽（Diadema setosum）的長刺具有獨特的防御形態(tài)。研究團隊發(fā)現(xiàn)，這種海膽的刺并非單純的“死”骨骼，它們對水流和觸碰表現(xiàn)出驚人的靈敏度，當(dāng)水滴落在刺尖或水流經(jīng)過時，海膽能迅速做出反應(yīng)。這種感知能力并非來自神經(jīng)系統(tǒng)，而是源自其內(nèi)部獨特的微觀結(jié)構(gòu)。如何理解這種自然智慧，并通過先進(jìn)制造手段將其轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用，是仿生制造領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

活體海膽機械電感知的原位觀察。a, 活體刺冠海膽（D. setosum）的光學(xué)圖像，顯示其圓頂狀的殼體周圍環(huán)繞著長約 5–8 厘米的針狀棘刺。b, 一滴海水滴落在棘刺尖端（紅色箭頭所示），導(dǎo)致棘刺在 1 秒內(nèi)發(fā)生了約 10° 的旋轉(zhuǎn)。c, 海膽棘刺電學(xué)測量的示意圖。當(dāng)水流經(jīng)微通道時，棘刺帶負(fù)電，導(dǎo)致周圍的流體帶正電。d, 在空氣中受到液滴刺激時棘刺兩端的響應(yīng)電壓，其最大幅值達(dá)到約 116 mV。e, 浸沒在水中的棘刺的電壓測量結(jié)果，顯示了其對海水流動刺激的瞬態(tài)響應(yīng)。f, 同一根海膽棘刺在液滴刺激下的電壓輸出，顯示活體和死體狀態(tài)之間沒有顯著差異。g, 一些典型海洋動物的響應(yīng)電位和響應(yīng)時間的比較。

研究內(nèi)容

為解開這一謎題，研究團隊首先通過原位高速攝影和電信號測試，證實了海膽刺具有“機械-電感知”能力：其響應(yīng)時間僅為88毫秒，響應(yīng)電位比海膽的視覺信號高出1-3個數(shù)量級。進(jìn)一步的微CT（μ-CT）和掃描電鏡分析顯示，海膽刺內(nèi)部是一種雙連續(xù)的“立體”（stereom）結(jié)構(gòu)，且沿著軸向存在顯著的結(jié)構(gòu)梯度：從底部到尖端，孔隙率逐漸增加，孔徑逐漸減小，比表面積增大。這種梯度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致液體流經(jīng)時，固-液界面產(chǎn)生差異化的電荷密度，從而通過“流動電勢”（Streaming Potential）效應(yīng)產(chǎn)生電壓信號。

棘刺內(nèi)機械電感知的機制。a, 水流過程中棘刺的電壓輸出，顯示當(dāng)水完全擴散穿過棘刺時立即產(chǎn)生超過 20 mV 的電位。b, 完全浸潤棘刺的電壓測量，顯示對水流的實時響應(yīng)。c, 液體流動過程中流動電位產(chǎn)生的示意圖，顯示顯著的界面電荷分離。在棘刺尖端，立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中增加的比表面積促進(jìn)了雙電層（EDL）的形成和碰撞頻率，增強了界面電荷密度。d, 去離子（DI）水和海水注入期間棘刺的流動電位（DI 水中棘刺的 ζ 電位與海水的比較）。海水中的高離子濃度誘導(dǎo) EDL 壓縮，降低界面離子遷移率和電荷密度。e, 不同流速下棘刺的電壓輸出，顯示流動電位隨流速增加而增加。

為了驗證這一機制并實現(xiàn)工程化應(yīng)用，團隊引入了先進(jìn)的3D打印技術(shù)：

?數(shù)字化設(shè)計： 團隊利用三重周期極小曲面（TPMS）晶格設(shè)計，在計算機中重建了模仿海膽刺內(nèi)部孔隙和實體分布的梯度模型。

?光固化3D打印： 使用高精度光固化3D打印機，團隊制造了具有精細(xì)梯度結(jié)構(gòu)的人工脊柱樣本。

?材料普適性驗證： 團隊打印了聚合物樹脂以及氧化鋁（Al?O?）等陶瓷材料。

梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)賦能的機械電感知的通用性、實用性和適用性。a, 人工結(jié)構(gòu)的 3D 打印，這些結(jié)構(gòu)在固體和孔隙相分布方面類似于雙連續(xù)立體網(wǎng)狀梯度。b, 打印的棘刺狀聚合物和陶瓷樣品的絕對電壓輸出，顯示注水時明顯的機械電感知。PUA，聚氨酯丙烯酸酯；PLA，聚乳酸；HAp，羥基磷灰石。c, 具有不同結(jié)構(gòu)的打印Al?O?樣品的電壓輸出和幅值差。d, 由 N = 9 個具有細(xì)胞梯度結(jié)構(gòu)的節(jié)點單元組成的仿生超材料機械感受器示意圖。e, 超材料機械感受器的實時電壓響應(yīng)。插圖顯示了超材料機械感受器的歸一化沖擊電壓圖，用于確定水流的沖擊位置。f, 所提出的仿生材料與用于機械感受器的傳統(tǒng)微晶格的一般特性比較。

結(jié)果表明，只要具備這種特定的梯度結(jié)構(gòu)，不同材料均能產(chǎn)生明顯的電壓響應(yīng)，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性超越了材料本身。

研究結(jié)果

實驗結(jié)果表明，利用3D打印技術(shù)構(gòu)建的仿生梯度結(jié)構(gòu)，完美復(fù)現(xiàn)了海膽刺的感知功能。

?性能增強： 與沒有梯度的均勻多孔結(jié)構(gòu)相比，3D打印的梯度結(jié)構(gòu)樣品產(chǎn)生的電壓輸出提高了3倍，振幅差異提高了8倍。這證實了沿軸向的孔徑變化是產(chǎn)生強電信號的關(guān)鍵。

?超材料機械感受器： 基于此原理，團隊設(shè)計并打印了一個由3×3個單元組成的超材料機械感受器陣列。

?自供能傳感： 該陣列無需外部電源或傳感器，僅憑水流流過結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的流動電勢，即可實時監(jiān)測水流的方向和強度，實現(xiàn)了水下環(huán)境的自感知。

3D打印機立大功

特別值得指出的是，在關(guān)鍵的3D打印制造環(huán)節(jié)，研究綜合采用了摩方精密（BMF）與北京十維科技（AutoCera）的高精度3D打印技術(shù)，為從機理驗證到器件成型的全過程提供了核心支持。

?在研究初期，團隊利用北京十維科技（AutoCera）的高精度陶瓷/聚合物3D打印機，制造了多種棘刺狀樣品。這些樣品對于驗證海膽棘刺內(nèi)部結(jié)構(gòu)在“機械-電”轉(zhuǎn)換中的基礎(chǔ)物理特性起到了決定性作用。

?在最終器件的開發(fā)階段，研究人員采用了摩方精密（BMF的微納級光聚合3D打印技術(shù)及耐高溫樹脂（HTL resin），成功構(gòu)建了具有精細(xì)梯度結(jié)構(gòu)的3x3陣列超材料機械感受器。得益于摩方精密設(shè)備在微米尺度上的制造能力，仿生器件完美復(fù)刻了海膽棘刺內(nèi)部復(fù)雜的雙連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無需外部傳感器即可在水下進(jìn)行實時流體監(jiān)測和定位的功能。

這項研究展示了3D打印技術(shù)在功能性仿生材料制造中的核心地位：

?制造能力的跨越： 3D打印使得從微米級孔隙到宏觀器件的跨尺度制造成為可能，能夠精準(zhǔn)構(gòu)建傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部梯度結(jié)構(gòu)。

?應(yīng)用前景廣闊： 這種基于結(jié)構(gòu)梯度的自感知材料，可廣泛應(yīng)用于水下機器人觸覺感知、海洋環(huán)境監(jiān)測、智能水資源管理等領(lǐng)域。

?材料與結(jié)構(gòu)的解耦： 研究證明了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計（而非僅僅依賴壓電材料）即可實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換，為利用各種軟硬材料開發(fā)新型傳感器開辟了新路徑。

香港城市大學(xué)、香港理工大學(xué)與華中科技大學(xué)的聯(lián)合團隊，通過解析海膽刺的微觀奧秘，結(jié)合先進(jìn)的光固化3D打印技術(shù)，成功研發(fā)出一種新型梯度多孔材料。成果揭示了自然界中被忽視的結(jié)構(gòu)感知機制，證明了增材制造技術(shù)在復(fù)現(xiàn)復(fù)雜生物功能結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造新型智能感知器件方面的巨大潛力。