頂刊Nature發布！增材制造實現無機結構的“感知”功能編程

海膽棘刺卓越的機電感知能力，源于其沿[100]軸向的連續變化的梯度多孔結構。香港城市大學呂堅院士團隊聯合香港理工大學王鉆開教授、華中科技大學閆春澤教授與蘇彬教授等研究團隊，創新性地采用場驅動多拓撲特征耦合設計方法，結合高精度光固化3D打印技術，不僅完美復現了棘刺的梯度孔隙特征，更成功再現了其機電感知功能。

該研究實現增材制造從被動“復制結構”轉變為主動“創造功能”，在無機材料/結構與有機生命感知之間建立了前所未有的橋梁。這一里程碑研究成功發表于國際頂刊《Nature》，標題為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”，第一作者是香港城市大學陳安南博士、王子秦博士生。

原位觀察表明（圖1），活海膽棘刺具備相互獨立且高度敏感的觸覺感知能力。當棘刺受到滴液刺激時，會在1 s內相對于體殼軸線發生約10°的快速、可觀測旋轉；相比之下，周圍未受刺激的棘刺無任何響應?；诟咚俪上駵y量，該機電感知響應的特征時間約為88 ms。采用數據采集系統與數字萬用表測得其感知電勢峰值約為116 mV，具有實時、可重復的刺激響應性。該感知電位與響應速度較棘皮動物傳統視覺高出3個數量級。此外，將棘刺浸沒于海水中，在海水流動刺激下同樣可檢測得峰值約為30 mV的感知電位。通過組織學實驗驗證了棘刺外表面及其三維結構中均未發現活細胞組織，這表明棘刺感知電勢不依賴于存活組織，其背后存在一種此前未被認知的物理/結構起源機制。

圖1.活體海膽棘刺機電感知的原位觀察。

SEM與μ-CT結果揭示生物礦化的海膽棘刺沿[001] 方向（由基部至尖端）具有雙連續（固相與孔隙相均連續）梯度的多孔立體網狀骨架（stereom）。stereom 材料組分以含鎂方解石為主，伴隨無定形碳酸鈣以及少量晶內有機組分（約1.4 wt%）。其微結構表現出高曲率、平滑的最小曲面特征。尤為重要的是，棘刺尖端的多孔結構比根部表現出更小的孔徑尺寸、更高的比表面積與孔隙率。該梯度多孔結構有望促進棘刺內部的流體對流與傳質過程，從而提升液體在骨架網絡中的輸運效率。此外，尖端區域更高的孔隙率與更小的孔隙特征尺度可增強固–液界面的相互作用強度，而更大的比表面積則提供更多界面接觸與碰撞位點，從而有利于界面過程的發生與放大（圖2）。

圖2.海膽棘刺梯度多孔結構分析。

當棘刺完全潤濕時，表現出對液體的實時響應電勢：流體運動期間產生響應電壓，而在流動停止后電壓消失。這種響應電勢主要源自流動電勢。具體而言，棘刺與液體初次接觸時發生界面電荷轉移，并在固–液界面建立電雙層（EDL）。當棘刺被完全潤濕后，液體流動對EDL產生剪切作用，誘導界面電荷的分離與重新分布，從而形成流動電勢；當流動終止，電荷分離過程隨之停止，界面電荷發生回遷與復合，導致電勢差消散。在海水流經棘刺時同樣可檢測到該流動電勢。

有限元模擬結果表明：與棘刺基部相比，尖端的孔隙相特征尺寸更小，可顯著提高局部流速與液體壓力，從而增強剪切驅動的EDL形變與擾動，進而提升界面電荷密度。相應地，測得的流動電勢隨流速增加而升高，表明流動引起的壓力提升可通過進一步壓縮EDL來增強表面電荷密度。此外，尖端stereom更高的比表面積有利于提高EDL的建立密度與固–液界面碰撞頻次，從而進一步抬升界面電荷密度。綜上，沿[001]棘軸方向顯著的孔隙相梯度是產生高幅值流動電勢的關鍵結構基礎，使棘刺在水環境中獲得卓越的機電感知能力（圖3）。

圖3.海膽棘刺內的機電感知機制。

受此啟發，該研究結合仿生設計與光固化3D打印技術，使用陶瓷和摩方精密HTL樹脂材料構建了仿棘刺梯度結構的人工樣品。實驗結果表明，不同材料仿生梯度結構均可復現機電感知功能，且其電壓輸出比無梯度結構提升約 3倍，響應振幅提高約8倍。 這些結果證明了梯度 多孔 結構賦能機電感知 功能的材料 普適性 與梯度結構依賴性 （ 圖 4 ） 。 進一步，構建的仿生 三維超材料機械感受器，在無需額外外置 電源 的條件下， 可 在水下獲得具有時間分辨率的自監測信息。與傳統微格子 /多孔結構機械感受器相比，該仿生三維超材料在可制造性、結構設計自由度、材料體系通用性、幾何與性能可控性以及水下時間分辨自感知能力方面表現出更優的綜合性能 ， 有望服務于海洋環境監測、智能化水下探測以及水資源管理等多種應用場景。

圖4.梯度細胞結構賦予機電感知的通用性、實用性和適用性。

重要意義與未來展望：

此項研究將增材制造的研究前沿，從宏觀拓撲優化推向更具挑戰的微觀結構梯度編程與功能直接集成，為未來尖端智能器件的設計與制造開辟了全新路徑，極大地拓展了其在高端裝備、生物醫療等領域的應用深度與廣度。更為重要的是，本研究確立了一套“發現自然獨特功能→解析其結構本源→增材制造復現與優化”的完整研究范式。這套可復制的藍圖，為未來利用增材制造技術解鎖更多自然奧秘、創造新一代多功能材料與智能結構，提供了堅實的方法論基礎。

該研究工作的重要學術價值與創新性獲得了國際頂尖期刊《Nature》的認可，其專欄“News & Views”對此進行了專題評述。相關信息如下：Gilbert, P. U. P. A. Sea-urchin spines can sense water flow. Nature(News & Views) (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-00374-6.

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

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