仿海胆刺结构催生自供能水下传感技术
大自然再次为人类科技创新提供了灵感。在最新的研究中，科学家从海胆的生物结构中汲取灵感，开发出一种全新的自供能水下传感器。这种传感器的原理来源于海胆表面的可动刺状结构，这些结构不仅具备防御功能，还可能在感知环境中发挥作用。
海胆是一种常见的海洋无脊椎动物，其体表覆盖着大量可移动的刺。传统观点认为这些刺主要用于防御，但近期《自然》杂志上发表的一项研究显示，它们在感测周围环境方面也起到了重要作用。研究人员发现，海胆的刺能够在水流刺激下产生电响应，这种能力源于其独特的内部结构。
从防御到感知：刺的双重功能
研究团队对活体和非活体海胆的刺进行了实验。他们在刺的不同位置安装了传感器，并通过高速摄像记录其运动。当海水滴落在刺尖时，刺在不到一秒内发生了约十度的旋转。同时，刺表面产生了短暂的电流信号。
令人惊讶的是，无论刺是否附着在活体上，电流信号都能被检测到。这表明电流的产生并非依赖于神经活动，而是源于刺本身的物理结构。进一步分析发现，刺内部的立体板结构（一种多孔性骨质材料）在水流通过时，会与材料表面发生相互作用，从而产生微小的电压。
刺尖的结构密度明显高于基部，这种非均匀分布增强了其对水流的感知能力。这种结构特性使海胆能够灵敏地察觉水流变化，从而在复杂的海洋环境中进行导航和反应。
人工刺：3D打印实现感知功能
为验证这种结构的可行性，研究团队利用3D打印技术制造了由塑料和陶瓷材料组成的仿刺结构。实验结果表明，这些人工刺在水流刺激下同样能够产生电信号。
研究人员在论文中指出：“通过复制海胆刺的立体梯度结构，我们成功在3D打印的陶瓷和聚合物材料中实现了机械-电感知功能。与无梯度结构相比，这类材料在电压输出和信号振幅方面分别提升了三倍和八倍。”
这项技术具有广泛的应用前景。由于无需外部电源，这种传感器可被集成到水下机器人、海洋监测系统以及水质分析设备中，用于实时感知水流状态，从而提升监测精度和系统自适应性。
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