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顶刊Nature发布！增材制造实现无机结构的“感知”功能编程

更新时间：2026-03-02点击次数：45

海胆棘刺的机电感知能力，源于其沿[100]轴向的连续变化的梯度多孔结构。香港城市大学吕坚院士团队联合香港理工大学王钻开教授、华中科技大学闫春泽教授与苏彬教授等研究团队，创新性地采用场驱动多拓扑特征耦合设计方法，结合高精度光固化3D打印技术，不仅复现了棘刺的梯度孔隙特征，更成功再现了其机电感知功能。


该研究实现增材制造从被动“复制结构"转变为主动“创造功能"，在无机材料/结构与有机生命感知之间建立了桥梁。这一里程碑研究成功发表于国际顶刊《Nature》，标题为“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception"，作者是香港城市大学陈安南博士、王子秦博士生。

 


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原位观察表明（图1），活海胆棘刺具备相互独立且高度敏感的触觉感知能力。当棘刺受到滴液刺激时，会在1 s内相对于体壳轴线发生约10°的快速、可观测旋转；相比之下，周围未受刺激的棘刺无任何响应。基于高速成像测量，该机电感知响应的特征时间约为88 ms。采用数据采集系统与数字万用表测得其感知电势峰值约为116 mV，具有实时、可重复的刺激响应性。该感知电位与响应速度较棘皮动物传统视觉高出3个数量级。此外，将棘刺浸没于海水中，在海水流动刺激下同样可检测得峰值约为30 mV的感知电位。通过组织学实验验证了棘刺外表面及其三维结构中均未发现活细胞组织，这表明棘刺感知电势不依赖于存活组织，其背后存在一种此前未被认知的物理/结构起源机制。


Fig. 1

图1. 活体海胆棘刺机电感知的原位观察。

 

SEM与μ-CT结果揭示生物矿化的海胆棘刺沿[001] 方向（由基部至尖部）具有双连续（固相与孔隙相均连续）梯度的多孔立体网状骨架（stereom）。stereom 材料组分以含镁方解石为主，伴随无定形碳酸钙以及少量晶内有机组分（约1.4 wt%）。其微结构表现出高曲率、平滑的最小曲面特征。尤为重要的是，棘刺尖部的多孔结构比根部表现出更小的孔径尺寸、更高的比表面积与孔隙率。该梯度多孔结构有望促进棘刺内部的流体对流与传质过程，从而提升液体在骨架网络中的输运效率。此外，尖部区域更高的孔隙率与更小的孔隙特征尺度可增强固–液界面的相互作用强度，而更大的比表面积则提供更多界面接触与碰撞位点，从而有利于界面过程的发生与放大（图2）。


Fig. 2

图2. 海胆棘刺梯度多孔结构分析。

 

当棘刺润湿时，表现出对液体的实时响应电势：流体运动期间产生响应电压，而在流动停止后电压消失。这种响应电势主要源自流动电势。具体而言，棘刺与液体初次接触时发生界面电荷转移，并在固–液界面建立电双层（EDL）。当棘刺被润湿后，液体流动对EDL产生剪切作用，诱导界面电荷的分离与重新分布，从而形成流动电势；当流动终止，电荷分离过程随之停止，界面电荷发生回迁与复合，导致电势差消散。在海水流经棘刺时同样可检测到该流动电势。


有限元模拟结果表明：与棘刺基部相比，尖部的孔隙相特征尺寸更小，可显著提高局部流速与液体压力，从而增强剪切驱动的EDL形变与扰动，进而提升界面电荷密度。相应地，测得的流动电势随流速增加而升高，表明流动引起的压力提升可通过进一步压缩EDL来增强表面电荷密度。此外，尖部stereom更高的比表面积有利于提高EDL的建立密度与固–液界面碰撞频次，从而进一步抬升界面电荷密度。综上，沿[001]棘轴方向显著的孔隙相梯度是产生高幅值流动电势的关键结构基础，使棘刺在水环境中获得优异的机电感知能力（图3）。

  Fig. 3

图3. 海胆棘刺内的机电感知机制。

 


受此启发，该研究结合仿生设计与光固化3D打印技术，使用陶瓷和摩方精密HTL树脂材料构建了仿棘刺梯度结构的人工样品。实验结果表明，不同材料仿生梯度结构均可复现机电感知功能，且其电压输出比无梯度结构提升约3倍，响应振幅提高约8倍。这些结果证明了梯度多孔结构赋能机电感知功能的材料普适性与梯度结构依赖性（图4）。进一步，构建的仿生三维超材料机械感受器，在无需额外外置电源的条件下，可在水下获得具有时间分辨率的自监测信息。与传统微格子/多孔结构机械感受器相比，该仿生三维超材料在可制造性、结构设计自由度、材料体系通用性、几何与性能可控性以及水下时间分辨自感知能力方面表现出更优的综合性能，有望服务于海洋环境监测、智能化水下探测以及水资源管理等多种应用场景。


 

Fig. 4

图4. 梯度细胞结构赋予机电感知的通用性、实用性和适用性。

 

重要意义与未来展望：

此项研究将增材制造的研究前沿，从宏观拓扑优化推向更具挑战的微观结构梯度编程与功能直接集成，为未来智能器件的设计与制造开辟了全新路径，极大地拓展了其在装备、生物医疗等领域的应用深度与广度。更为重要的是，本研究确立了一套“发现自然独特功能→解析其结构本源→增材制造复现与优化"的完整研究范式。这套可复制的蓝图，为未来利用增材制造技术解锁更多自然奥秘、创造新一代多功能材料与智能结构，提供了坚实的方法基础。


该研究工作的重要学术价值与创新性获得了国际期刊《Nature》的认可，其专栏“News & Views"对此进行了专题评述。相关信息如下：Gilbert, P. U. P. A. Sea-urchin spines can sense water flow. Nature(News & Views) (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-00374-6.