海胆启发了新型自供能水下传感器

大自然再次为人类提供了技术灵感。在众多生物中，看似普通的海胆最近成为科研领域的关注焦点。科学家受其棘刺结构启发，开发出一种创新型水下传感器，该装置无需外部供电即可实时监测水流动态。

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

长期以来，海胆体表的棘刺被认为是其抵御捕食者的防御机制。然而，一项发表于《自然》的新研究揭示，这些结构可能具备感知环境变化的功能。

研究人员对棘刺的多维结构展开深入研究，试图验证它们是否能作为被动感知单元。实验中，团队向活海胆的棘刺尖端施加海水滴，并利用高速摄像记录棘刺的运动轨迹。

观察结果显示，棘刺可在不到一秒内旋转约十度。进一步地，科学家在棘刺的不同位置布置电极，发现海水接触或流经棘刺时会引发电流波动。无论使用活体还是去活海胆的棘刺，电流都稳定出现，表明其产生机制与生物活性无关，而是源于棘刺的结构特性。

棘刺内部的立体板状结构是关键因素。这些由骨质构成的微孔网络，基部孔径较大，而向尖端逐渐变窄且更密集。当水流经过时，与棘刺表面材料相互作用，产生微弱电压。尖端区域的电压响应显著强于基部，表明该结构可作为感知水流的微型传感器。

为验证该原理的可复制性，研究团队采用3D打印技术，使用塑料和陶瓷材料制造了人工棘刺结构。实验表明，这些仿生装置在水流刺激下同样能产生电力。

在论文中，研究团队指出：“3D打印的仿生棘刺样品成功复制了梯度结构所赋予的机电感知能力。相比无梯度结构，其输出电压提升三倍，信号幅度差异扩大八倍。”

这项技术突破为开发自供能水下传感器提供了全新思路。未来，该类装置有望应用于水下机器人、海洋环境监测以及智能水资源管理系统。

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

期刊信息：《自然》

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