海膽棘刺卓越的機電感知能力，源于其沿[100]軸向的連續(xù)變化的梯度多孔結構。香港城市大學呂堅院士團隊聯合香港理工大學王鉆開教授、華中科技大學閆春澤教授與蘇彬教授等研究團隊，創(chuàng)新性地采用場驅動多拓撲特征耦合設計方法，結合高精度光固化3D打印技術，不僅完美復現了棘刺的梯度孔隙特征，更成功再現了其機電感知功能。

該研究實現增材制造從被動“復制結構”轉變?yōu)橹鲃印皠?chuàng)造功能”，在無機材料/結構與有機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)表于國際頂刊《Nature》，標題為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”，第一作者是香港城市大學陳安南博士、王子秦博士生。

原位觀察表明（圖1），活海膽棘刺具備相互獨立且高度敏感的觸覺感知能力。當棘刺受到滴液刺激時，會在1 s內相對于體殼軸線發(fā)生約10°的快速、可觀測旋轉；相比之下，周圍未受刺激的棘刺無任何響應?；诟咚俪上駵y量，該機電感知響應的特征時間約為88 ms。采用數據采集系統與數字萬用表測得其感知電勢峰值約為116 mV，具有實時、可重復的刺激響應性。該感知電位與響應速度較棘皮動物傳統視覺高出3個數量級。此外，將棘刺浸沒于海水中，在海水流動刺激下同樣可檢測得峰值約為30 mV的感知電位。通過組織學實驗驗證了棘刺外表面及其三維結構中均未發(fā)現活細胞組織，這表明棘刺感知電勢不依賴于存活組織，其背后存在一種此前未被認知的物理/結構起源機制。

圖1.活體海膽棘刺機電感知的原位觀察。

SEM與μ-CT結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有機組分（約1.4 wt%）。其微結構表現出高曲率、平滑的最小曲面特征。尤為重要的是，棘刺尖端的多孔結構比根部表現出更小的孔徑尺寸、更高的比表面積與孔隙率。該梯度多孔結構有望促進棘刺內部的流體對流與傳質過程，從而提升液體在骨架網絡中的輸運效率。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固–液界面的相互作用強度，而更大的比表面積則提供更多界面接觸與碰撞位點，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構分析。

當棘刺完全潤濕時，表現出對液體的實時響應電勢：流體運動期間產生響應電壓，而在流動停止后電壓消失。這種響應電勢主要源自流動電勢。具體而言，棘刺與液體初次接觸時發(fā)生界面電荷轉移，并在固–液界面建立電雙層（EDL）。當棘刺被完全潤濕后，液體流動對EDL產生剪切作用，誘導界面電荷的分離與重新分布，從而形成流動電勢；當流動終止，電荷分離過程隨之停止，界面電荷發(fā)生回遷與復合，導致電勢差消散。在海水流經棘刺時同樣可檢測到該流動電勢。

有限元模擬結果表明：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，從而增強剪切驅動的EDL形變與擾動，進而提升界面電荷密度。相應地，測得的流動電勢隨流速增加而升高，表明流動引起的壓力提升可通過進一步壓縮EDL來增強表面電荷密度。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生高幅值流動電勢的關鍵結構基礎，使棘刺在水環(huán)境中獲得卓越的機電感知能力（圖3）。

圖3.海膽棘刺內的機電感知機制。

受此啟發(fā)，該研究結合仿生設計與光固化3D打印技術，使用陶瓷和摩方精密HTL樹脂材料構建了仿棘刺梯度結構的人工樣品。實驗結果表明，不同材料仿生梯度結構均可復現機電感知功能，且其電壓輸出比無梯度結構提升約 3倍，響應振幅提高約8倍。 這些結果證明了梯度 多孔 結構賦能機電感知 功能的材料 普適性 與梯度結構依賴性 （ 圖 4 ） 。 進一步，構建的仿生 三維超材料機械感受器，在無需額外外置 電源 的條件下， 可 在水下獲得具有時間分辨率的自監(jiān)測信息。與傳統微格子 /多孔結構機械感受器相比，該仿生三維超材料在可制造性、結構設計自由度、材料體系通用性、幾何與性能可控性以及水下時間分辨自感知能力方面表現出更優(yōu)的綜合性能 ， 有望服務于海洋環(huán)境監(jiān)測、智能化水下探測以及水資源管理等多種應用場景。

圖4.梯度細胞結構賦予機電感知的通用性、實用性和適用性。

重要意義與未來展望：

此項研究將增材制造的研究前沿，從宏觀拓撲優(yōu)化推向更具挑戰(zhàn)的微觀結構梯度編程與功能直接集成，為未來尖端智能器件的設計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)療等領域的應用深度與廣度。更為重要的是，本研究確立了一套“發(fā)現自然獨特功能→解析其結構本源→增材制造復現與優(yōu)化”的完整研究范式。這套可復制的藍圖，為未來利用增材制造技術解鎖更多自然奧秘、創(chuàng)造新一代多功能材料與智能結構，提供了堅實的方法論基礎。

該研究工作的重要學術價值與創(chuàng)新性獲得了國際頂尖期刊《Nature》的認可，其專欄“News & Views”對此進行了專題評述。相關信息如下：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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