海胆结构启发自供能水下传感器

自然界再次展现出其作为技术创新灵感源泉的潜力。在最新的研究中，一种看似不起眼的海洋生物——海胆，为传感器设计提供了新思路。研究人员受到其独特结构的启发，开发出一种能够自供能的新型水下传感系统。

护盾背后的感知功能

海胆体表覆盖着众多可活动的刺，传统观点认为其主要功能在于防御捕食者。然而，一项发表在《自然》杂志上的研究揭示了这些刺的另一层作用：它们不仅是物理护盾，同时也具备感知环境的能力。

为探究刺的潜在功能，研究团队对活体海胆进行了实验。他们将一滴海水置于刺的尖端，并借助高速摄像设备记录其动态反应。结果显示，刺在不到一秒的时间内迅速旋转约十度。

此外，研究者还在刺的不同位置安装了传感器，并观察到海水接触或流经刺尖时，会触发短暂的电流输出。进一步测试表明，无论是活体还是死体海胆的刺，均能产生类似电响应。这一现象证实了电流的产生来源于刺的物理结构，而非依赖于生物活性组织或神经系统。

深入分析发现，刺内部的立体板结构起到了关键作用。这种由骨质材料构成的内部构造布满微小孔隙，且从基部到尖端呈现出逐渐缩小的趋势。当水流通过这些通道时，与刺表面材料发生相互作用，从而生成微弱但可测量的电压脉冲。尖端区域的结构更为密集，其电响应也更显著，这表明海胆可能通过这种方式感知周围水流变化。

为验证该结构的可复制性，研究团队采用3D打印技术制造了由陶瓷和聚合物构成的人工刺。实验表明，这些仿生结构在水流作用下同样能够产生电能。

研究人员在论文中指出：“具备梯度细胞结构的仿生刺已在人工样品中成功再现，其输出电压较无梯度结构的样品提高了三倍，信号差异则扩大了八倍。”

这项突破性成果为开发无需外部电源的水下传感器提供了可能。该技术具备广泛的应用前景，包括水下机器人、海洋环境监测系统，以及水资源管理等领域。

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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