由香港城市大學(港城大)工學院院長、機械工程學系講座教授呂堅教授 領導的研究團隊，首次揭示海膽棘刺内部天然形成的多孔陶瓷結構存在出人意料的“機電感知”功能。當水滴或水流掠過棘刺表面時，其梯度多孔結構能實時産生可測量的電壓信号，反應速度較棘皮動物的視覺感知快逾千倍。
圖為港城大工學院院長、機械工程學系講座教授呂堅教授
研究團隊受這一自然結構啟發，結合仿生結構設計與3D打印技術，成功複制并強化這項感知能力，為新一代智能感測與水下監測材料開辟了全新方向。
這項題為《棘皮動物多孔立體網狀骨架梯度結構賦予機電感知能力》的研究成果，近日于國際頂尖學術期刊《自然》上發表。該研究由港城大與香港理工大學、華中科技大學合作完成。
研究人員在對長棘海膽進行原位觀察時發現，當一滴海水落在棘刺尖端時，棘刺會在約一秒内迅速偏轉，表明其對外界刺激具有高度敏感的觸覺反應。進一步的電壓測量顯示，水滴刺激可産生約百毫伏的瞬時電位，而水流經過時也能引發穩定的電信号，整個反應僅需數十毫秒。即使棘刺已不含任何活細胞組織，仍能産生相同的電壓變化，證明此感知能力并非來自神經或生物組織，而是源自材料與微結構本身的物理機制。
通過掃描電子顯微鏡和微電腦斷層掃描分析，研究團隊發現，棘刺内部由一種被稱為“stereom”的雙連續多孔骨架構成，并沿棘刺軸線呈現明顯的孔徑梯度變化。與基部相比，尖端區域的孔徑更細小、孔隙率更高、比表面積更大，使液體流經時能加強固液界面的電荷分離效應。當水流剪切這些微孔通道時，界面會形成電雙層并産生流動電勢，從而轉化為可測量的電壓信号，使棘刺猶如一個天然的微型傳感器。
為驗證這種結構是否具有普适性，研究團隊利用光固化3D打印技術，制作出仿棘刺梯度多孔結構的高分子及陶瓷樣品。實驗結果顯示，與沒有梯度設計的樣品相比，仿生梯度結構的電壓輸出提升約三倍，信号振幅增加約八倍，證明機電感知功能主要由拓樸結構驅動，而非材料本身的性質所決定。研究人員進一步構建了由多個梯度單元組成的仿生超材料機械傳感器，該裝置能夠在水下實時探測水流方向與強度，并進行時間分辨的自我監測，無須額外的外置傳感器或電源。
圖為梯度細胞結構賦予機電感知的通用性、實用性與适用性
呂教授表示：“通過仿生結構設計與3D打印技術，我們成功把這種自然智慧轉化為智能材料。通過制造仿生功能材料，我們希望把自然界的結構功能一體化概念，延伸至工程材料，開創新一代具自感知能力的智能系統。”
這項研究突破了天然多孔結構僅用于提升力學性能的傳統認知，揭示了這一材料同時具備感知功能的潛力，為結構功能一體化材料設計提供了新的思路。随着3D打印技術的不斷突破，這套仿生梯度多孔結構可在海洋環境監測、智能水下探測、水資源管理、能源儲存、生物醫療，以及航空航天工程等領域應用，成為新一代結構功能一體化材料的設計基石。
香港城市大學高度重視科研創新與成果轉化，持續推進研究、應用與産業需求的深度對接。學校在材料科學、工程技術、數據科學、生物醫學等領域具備雄厚的科研實力，并通過跨學科合作與産學研協同創新，加快推動科研成果向實際應用轉化。未來，港城大将繼續發揮國際化科研平台優勢，促進前沿科技成果轉化落地，為科技進步和産業創新發展貢獻力量。
關于香港城市大學
香港城市大學(港城大)是世界級教學與研究的創新樞紐，設有生物醫學院、商學院、計算學院、工學院、人文社會科學院、理學院、賽馬會動物醫學及生命科學院、創意媒體學院、能源及環境學院、法律學院和周亦卿研究生院共11個學院，以及下設的29個學系。港城大位列全球大學第63名、亞洲大學第7名、連續三年榮膺全球最國際化大學第1名;并再度入選美國國家發明家科學院所公布全球頂尖100所獲頒最多美國專利的大學，是連續九年全港排名第一。
港城大位于香港的中心地帶，以創新精神專注于研究及專業教育兩大領域，緻力為全球議題尋找解決方案，并推動有益社會的轉變。
有關港城大的更多信息，請浏覽：www.cityu.edu.hk
免責聲明：本文僅代表作者個人觀點，與每日科技網無關。其原創性以及文中陳述文字和内容未經本站證實，對本文以及其中全部或者部分内容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考，并請自行核實相關内容。
本網站有部分内容均轉載自其它媒體，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責，若因作品内容、知識産權、版權和其他問題，請及時提供相關證明等材料并與我們聯系，本網站将在規定時間内給予删除等相關處理.
