受海胆启发的自供能水下传感器

知语 20260318

自然界始终是技术创新的灵感源泉，而如今，一种微小的海洋生物——海胆，为传感器技术带来了新的突破。科学家们从海胆的棘刺结构中汲取灵感，开发出了一种全新的自供能水下传感器。

海胆体表布满可移动的棘刺，传统上人们认为这些结构主要用于防御和威慑捕食者。然而，最新发表于《自然》（Nature）杂志的研究表明，这些棘刺可能还具备感知功能。

研究人员提出，海胆棘刺不仅是物理防御的延伸，还可能是其感知环境的重要工具。为了验证这一假设，他们对活体海胆进行了实验，观察棘刺在水流刺激下的反应。

实验中，科学家将少量海水滴在棘刺尖端，并使用高速摄像机捕捉其运动。结果显示，棘刺在不到一秒的时间内旋转了大约10度。更令人惊讶的是，当水流接触棘刺时，其表面会产生短暂的电流。

为了进一步确认这种电响应是否依赖于生命活动，研究人员还测试了死海胆的棘刺。结果表明，无论是活体还是死体棘刺，都产生了类似的电脉冲，说明这种现象源于结构本身，而非神经活动。

深入分析后发现，棘刺内部由一种称为“立体板”的多孔骨质材料构成。这些微孔结构从基部向尖端逐渐变小、变密，当水流通过时，会与材料表面发生相互作用，从而触发微小的电压波动。这种结构在尖端表现出更强的响应，表明它可能帮助海胆探测周围水流的动态。

为了验证这种机制是否可以被模仿，研究人员利用3D打印技术制造了由塑料和陶瓷构成的人造棘刺结构。测试结果证实，这些仿生材料在水流刺激下同样能够产生电能。

研究团队指出：“通过3D打印制造的梯度多孔材料，成功复现了棘刺的机械电感知功能。与无梯度结构相比，这些材料的输出电压提高了三倍，振幅差更是提升了八倍。”

这一发现为无源水下传感系统的设计提供了新思路。此类传感器无需外部电源即可实时监测水流动态，适用于多种场景，包括水下机器人、海洋环境监测和水资源管理。

这项研究由Annan Chen及其团队完成，论文题目为《棘皮动物立体梯度结构使机械电感知成为可能》，发表于《自然》（Nature）2026年期刊。DOI：10.1038/s41586-026-10164-9。

期刊信息：《自然》

查看全文

作者最近更新