海胆结构启发自供能式水下传感技术

知语 20260326

在大自然的宝库中，总能找到灵感。海胆这种看似不起眼的海洋生物，近期为传感技术的发展提供了新的思路。科学家们受其刺状结构的启发，研发出一种全新的自供能式水下传感器。

海胆表面布满可移动的刺，传统观点认为这些刺主要用于防御和威慑捕食者。但一项最新研究显示，它们的功能远不止于此。发表于《自然》期刊的研究揭示，这些刺还具备感知水流的能力。

研究人员提出假设：海胆的刺或许不仅是物理结构，更可能是感觉器官。为验证这一想法，他们在实验室中对活体海胆进行测试，使用高速摄像机记录刺在接触海水时的运动。

结果表明，当海水滴落在刺的顶端时，刺会在不到一秒的时间内发生约十度的旋转。团队还在刺的不同位置安装了传感器，发现接触海水后会引发电流的突然释放。

为排除生物活性的干扰，团队对比了活体和非活体样本。无论是活还是死的海胆，其刺都能产生类似的电信号。这表明电流的产生源于材料的物理结构，而非神经系统的参与。

关键因素在于刺内部的立体板结构——一种由骨质材料构成的多孔系统。这些孔洞从刺的基部向顶端逐渐变小且更加密集。当水流通过时，与材料表面产生摩擦并引发微弱电压，这种效应在刺的尖端尤为显著，从而帮助海胆感知周围水流。

为了验证这种现象是否可被人工复制，研究人员使用陶瓷和塑料材料3D打印了模拟刺结构。当水流经过这些人造刺时，同样观察到电能的产生。

研究团队在论文中指出：“具有立体梯度结构的人造刺在机械电感知方面表现出色，输出电压相较于无梯度结构提升了三倍，振幅差异则增长至八倍。”

这项成果展示了新型三维材料的潜力，它们能够在无需外部电源的情况下实时感知水流。该技术有望在多个领域发挥重要作用，包括水下机器人、海洋环境监测系统以及水资源管理系统。

相关成果由 Annan Chen 等研究团队发表于《自然》（Nature, 2026）。DOI：10.1038/s41586-026-10164-9

期刊信息：《自然》

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