海胆启发的自供能水下传感器

海胆启发的自供能水下传感器

在自然界中，灵感无处不在。这一次，研究人员从海洋生物——海胆身上获得启发，设计出了一种具备自供能能力的水下传感器。

海胆以其遍布体表的刺而闻名，这些刺长期以来被认为主要用于防御和威慑捕食者。然而，一项发表于《自然》的新研究表明，这些结构不仅具备防御功能，还可能承担着感知环境的智能作用。

结构与感知功能的结合

为了探究这些刺是否具备感知能力，研究团队对活体海胆进行了实验。他们在海胆的刺尖端滴加海水，并通过高速摄像技术记录刺的运动响应。

结果显示，当海水接触到刺尖时，刺在不到一秒的时间内旋转了大约十度。更引人注目的是，研究人员在刺的不同位置安装了传感器，发现每当海水接触或流经刺尖时，刺会释放出微小的电信号。

有趣的是，无论是活海胆还是死海胆的刺，都会产生类似的电信号。这表明，该信号的来源并非生物神经活动，而是刺本身的物理结构。

进一步分析显示，刺内部由一种骨质材料构成，称为立体板，其内部充满了微小的孔隙。这些孔隙从基部向尖端逐渐变小且更加密集。当水流通过这些孔隙时，与刺表面材料相互作用，从而在特定区域产生微小的电压尖峰。

仿生结构的工程验证

为了验证这种结构的可复制性，研究人员使用3D打印技术制造了人造刺，材料包括塑料和陶瓷。实验显示，这些人工刺在水流作用下同样能够产生电力。

论文中指出：“由梯度结构赋能的机械电感知已在3D打印的人造刺状陶瓷与聚合物中成功复制，其输出电压比无梯度结构的样品高出三倍，而振幅差更是提升了八倍。”

这项技术的核心在于无需外部电源即可实时响应水流变化，因此具有广泛的应用前景。从水下机器人到环境监测设备，甚至水资源管理系统，均可受益于这种自供能感知技术。

Annan Chen 等人在《自然》中报道了这一研究成果，标题为《棘皮动物立体梯度结构使机械电感知成为可能》，DOI：10.1038/s41586-026-10164-9。

期刊信息：《自然》