香港 -Media OutReach Newswire- 2026年3月5日 -海膽的棘刺除了有防御功能，原來還是天然傳感器。由香港理工大學(xué)（理大）協(xié)理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學(xué)系講座教授王鉆開教授聯(lián)合香港城市大學(xué)、華中科技大學(xué)學(xué)者組成的研究團隊首次發(fā)現(xiàn)海膽棘刺內(nèi)部的梯度多孔結(jié)構(gòu)具有強大機電感知能力，能迅速感應(yīng)水流。團隊并利用3D打印技術(shù)制造出仿生新材料傳感器，為傳感技術(shù)帶來重大突破，推動海洋環(huán)境監(jiān)測、水下基建管理等深?？萍嫉陌l(fā)展，更可拓展應(yīng)用至腦機接口、航空航天等新興領(lǐng)域。

由理大協(xié)理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學(xué)系講座教授王鉆開教授帶領(lǐng)的研究團隊，首次發(fā)現(xiàn)海膽棘刺內(nèi)部的梯度多孔結(jié)構(gòu)具有強大機電感知能力，能在水流經(jīng)過時產(chǎn)生電訊號，并利用3D打印技術(shù)制造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽（Diadema setosum）身上觀察到，當(dāng)海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內(nèi)迅速旋轉(zhuǎn)。他們利用電學(xué)測量，發(fā)現(xiàn)棘刺受水滴刺激后，內(nèi)部會產(chǎn)生約百毫伏電壓；而棘刺浸在水中時，水流刺激也能產(chǎn)生約數(shù)十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中都能出現(xiàn)，證相關(guān)機制與生物細(xì)胞無關(guān)。

這種反應(yīng)源自棘刺內(nèi)部的雙連續(xù)梯度多孔立體網(wǎng)狀骨架（stereom）：由大小不一的孔洞組成，并沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當(dāng)水流經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)時，固液界面發(fā)生相互作用，流動液體對雙電層產(chǎn)生剪切作用，并誘導(dǎo)界面電荷的分離和重新排布，從而產(chǎn)生電壓差。而梯度結(jié)構(gòu)會令水流與孔壁的碰撞更劇烈、電壓差更強，提升棘刺的感知能力。

受上述發(fā)現(xiàn)啟發(fā)，研究團隊利用光固化3D打印技術(shù)，以高分子聚合物和陶瓷制作模仿棘刺結(jié)構(gòu)的樣本。實驗證實在水流刺激下，仿生設(shè)計相較一般非梯度設(shè)計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)而非材料。他們并構(gòu)建了一款3×3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均采用了梯度多孔結(jié)構(gòu)，無需額外電源，即可在水下實時記錄電訊號，并精準(zhǔn)定位水流沖擊位置。

研究團隊指，海膽棘刺的梯度多孔結(jié)構(gòu)強化了訊號的傳遞，提升傳感器的精準(zhǔn)度及靈敏度。這種強大機電感知機制可以復(fù)制至不同材料，更有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發(fā)其他領(lǐng)域的傳感技術(shù)，例如在腦機接口中用以增強腦電波及神經(jīng)訊號的傳遞，應(yīng)用潛力無可限量。

王鉆開教授表示：「相比傳統(tǒng)機械傳感器，團隊設(shè)計的仿生超材料傳感器在可生產(chǎn)性、結(jié)構(gòu)設(shè)計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。我們期望結(jié)合多孔結(jié)構(gòu)的梯度與3D打印技術(shù)，以不同材料、孔徑及表面特征來制造更多仿生超材料傳感器，在更多領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)用潛力?！?/p>

王教授團隊長期致力于仿生科學(xué)與工程研究，曾受荷葉自清潔效應(yīng)與南洋杉表面液體自發(fā)驅(qū)動現(xiàn)象啟發(fā)，開發(fā)具備快速排水功能的新型功能材料；以及模仿真菌噴射孢子的生物機制，研發(fā)能自主彈射冷凍水滴的防結(jié)冰結(jié)構(gòu)。他期望研究能為開發(fā)仿生材料開辟全新思路：「對于天然多孔材料而言，強度等力學(xué)性能或許并非其核心功能，而只是復(fù)雜生物礦化過程的次要效應(yīng)。深入探索這些鮮為人知的生物機制，全面認(rèn)識并充分利用天然材料，對推動仿生研究發(fā)展具有至關(guān)重要的意義?！?/p>

此項聯(lián)合研究由王鉆開教授與香港城市大學(xué)的呂堅教授，以及華中科技大學(xué)的閆春澤教授和蘇彬教授共同領(lǐng)導(dǎo)，已刊登于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。