海胆启发自供能水下传感器的开发

自然界再次以其精妙设计启发了技术创新。海胆，这种看似普通的海洋生物，最近成为新型智能传感器开发的重要灵感来源。研究人员通过模仿其棘结构的内部构造，成功设计出一种可自供能的水下传感器。

防御机制的双重角色

海胆体表布满可活动的棘刺，传统上被认为是防御捕食者的结构。但一项最新发表于《自然》的研究揭示，这些棘刺可能还具有感知功能。

研究团队提出疑问：棘刺是否仅作为物理屏障？由于海胆缺乏专门的感觉器官，他们推测棘刺或具备某种机械感知能力。在实验中，研究人员对活海胆施加海水刺激，并使用高速摄像记录棘刺的运动。

实验结果显示，棘刺在接触海水后不到一秒内产生约十度的旋转。同时，将传感器放置于棘刺不同部位后发现，当水流接触或流经棘刺尖端时，会产生电流脉冲。

进一步测试显示，无论是活体还是死亡海胆，棘刺均能产生电流。这一现象表明，电流的产生源于棘刺的物理结构，而非生物组织或神经系统。

研究重点聚焦于棘刺内部的立体板结构，这是一种由微孔构成的骨质材料。孔隙密度沿棘刺从基部向尖端递减，形成明显的梯度变化。当水流穿过该结构时，与材料表面相互作用，产生微小的电压波动。

这种结构在尖端表现出更强的感应性能，提示其在感知环境水流中发挥关键作用。这种由结构本身引发的机械-电耦合效应，为自供能传感器开发提供了新路径。

为了验证这一机制的可复现性，研究团队利用3D打印技术，采用塑料和陶瓷材料制造了人工棘刺结构。实验表明，水流通过仿生结构时同样能够产生电能。

研究论文指出：“梯度化细胞结构赋予机械-电感知能力，已在3D打印的陶瓷和聚合物样品中成功复现。与无梯度结构相比，输出电压提升3倍，振幅差增加8倍。”

这一仿生设计实现了无需外部供电的实时水流监测，为水下机器人、海洋环境监测以及水资源管理系统提供了创新技术支撑。

Annan Chen 等，棘皮动物立体梯度结构使机械电感知成为可能，《自然》（2026）。DOI：10.1038/s41586-026-10164-9

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