海胆启发的自供能水下传感器研究取得突破

自然界再次展现出其惊人的工程智慧。科学家们从一种不起眼的海洋生物——海胆身上获得灵感，开发出一种无需电池即可运作的新型水下传感器。这项研究最近发表于《自然》（Nature）期刊，揭示了海胆刺如何通过其独特的结构实现机械电感知。

海胆体表布满可活动的刺，传统上被认为主要用于防御。然而，最新研究表明，这些刺不仅是被动的防御结构，还可能具备感知环境的功能。

研究人员在实验室中测试了海胆刺对水流的反应。他们向活海胆刺的尖端滴加海水，并通过高速摄像机捕捉其运动。结果显示，刺在不到一秒的时间内可旋转约10度。

此外，研究团队还在刺的不同位置安装了传感器。当海水接触刺尖或流经其表面时，刺会释放出微弱但可检测的电流信号。值得注意的是，无论是活体还是经过处理的死海胆刺，都会产生类似的电信号。这表明电流的产生机制源于刺的物理结构，而不是生物组织或神经系统。

刺内部的立体结构是其感测能力的关键。研究指出，这种由骨质材料构成的立体板体内部布满微小孔隙，孔径从基部向尖端逐渐变小、密度增加。

当水流通过这些多孔结构时，会与刺表面材料发生相互作用，从而引发微小的电压波动。这种电压尖峰在刺尖端更为明显，说明该结构可能帮助海胆感知周围水流的变化。

为验证这一机制是否可被人工复制，研究人员采用3D打印技术制造了模拟海胆刺的陶瓷与塑料样本。实验发现，这些人造刺在水流刺激下同样能够产生电力。

研究人员在论文中指出：“通过3D打印技术制造的具备梯度结构的人工刺，其输出电压相比无梯度结构的样品提高了三倍，电压振幅的差异更是扩大了八倍。”

这项研究表明，通过模仿自然界的结构设计，可以开发出具备自供电能力的水下传感系统。这种技术有望应用于水下机器人、海洋监测系统以及水资源管理等多个领域。

这项研究成果发表于《自然》（Nature），题为“棘皮动物立体梯度结构使机械电感知成为可能”。论文作者包括Annan Chen等人。

期刊信息：《自然》

查看全文

作者最近更新