海胆启发自供能水下传感器设计
海胆启发自供能水下传感器设计
大自然再次展现了它的智慧。自然界往往为技术创新提供灵感，而此次的灵感来源，是一位不起眼的海洋生物——海胆。研究人员通过模仿海胆刺的结构，开发出一种全新的自供能水下传感器。
海胆体表覆盖着众多可移动的刺，传统上认为这些刺主要用于防御。然而，一项发表在《自然》期刊的新研究表明，这些刺实际上具备感知环境的功能。
自然护甲，亦是感知工具
研究团队希望探究这些刺是否仅作为物理屏障。由于海胆本身没有典型的感官器官，科学家推测其刺可能承担着感知水流的任务。为此，他们在实验室内观察了活体海胆对水流的反应。
研究人员将一滴海水置于刺的尖端，并借助高速摄像机记录其运动轨迹。结果显示，海胆刺在不到一秒的时间内旋转了约十度。同时，当海水流经刺的尖端时，刺表面产生了电流。
为了验证这一现象是否依赖于生物活性，团队分别测试了活体和非活体海胆的刺。结果显示，两种情况下均能产生电流，表明其电性源于刺的物理结构，而非神经活动。
研究指出，关键在于刺内部的立体骨质结构。该结构由大量微孔组成，孔径从根部向尖端逐渐缩小并密集排列。当水流通过这些微孔时，与材料表面发生相互作用，从而产生微小电压。尖端区域的结构更为复杂，能够更敏感地捕捉局部水流变化。
仿生人工刺的开发
为了进一步验证这一现象的可复制性，研究团队利用3D打印技术制造了由陶瓷和聚合物组成的人工刺。实验发现，当水流经过这些人工刺时，同样产生了可观的电能。
研究指出：“梯度细胞结构赋予了刺的机械电感知能力。我们成功在3D打印的陶瓷与聚合物人工刺中复现了这一现象，其输出电压比无梯度结构的样品高出三倍，振幅差异达到八倍。”
借助这种仿生设计，研究人员开发出了一种无需依赖外部电源的三维自供能材料，能够实时监测水流变化。该技术在水下机器人、海洋环境监测以及水资源管理等领域具有广泛应用前景。
相关成果发表在《自然》期刊上，题为“棘皮动物立体梯度结构使机械电感知成为可能”（Annan Chen et al., Graded 3D Architecture in Echinoderm Spines Enables Mechanoelectric Sensing, Nature 2026）。DOI：10.1038/s41586-026-10164-9
期刊信息：《自然》
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