仿生设计催生自供能水下传感器

脊柱内沿[001]方向的双连续立体体梯度。图片来源：自然（2026）。DOI：10.1038/s41586-026-10164-9

自然界再次展现出其作为技术创新灵感来源的独特价值。最近，海胆的生物结构启发科学家开发出一种具有自供能能力的新型水下传感器。

海胆体表密布的棘刺长期以来被视为防御机制的一部分。然而，最新发表于《自然》期刊的研究揭示，这些棘刺或许还具备感知水流的传感功能。

研究团队试图探究棘刺是否具备传感特性。在缺乏专门感知器官的情况下，研究者推测棘刺可能在感知环境中扮演角色。为此，他们对活体海胆进行了实验，通过高速摄像记录棘刺在接触海水后的动态反应。

实验显示，当海水接触到棘刺尖端时，棘刺在不到一秒的时间内发生约十度的旋转。同时，研究人员在棘刺的两个位置安装传感器，发现接触流体后会产生电流峰值。

无论是活体还是非活性的棘刺，均能产生类似的电响应，这表明电流的产生源自棘刺的结构而非生物组织或神经活动。

关键结构在于棘刺内部的立体板材料，其由微小孔隙构成，从基部向尖端逐渐缩小、密度增加。当水流通过时，流体与结构材料之间的相互作用引发微小电压波动。尖端的结构更为密集，从而增强了感知能力。

为验证该结构的可复制性，研究团队使用3D打印技术制造了由塑料和陶瓷材料构成的仿生棘刺。实验结果表明，当水流经过时，这些人工结构能够产生电能。

研究指出：“利用这种梯度化细胞结构所实现的机械-电感知功能，已在3D打印的人造棘刺结构中成功复现。与非梯度结构相比，该设计的输出电压提升了三倍，振幅差扩大了八倍。”

该技术有望用于开发无需外部供电的水下传感器，适用于水下机器人、海洋环境监测以及水资源管理等多个应用场景。

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

期刊信息：《自然》

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