仿生海膽，登上Nature！

多孔固體廣泛存在于自然界（如木材、海綿），傳統觀點認為其結構旨在增強力學性能。然而，這些結構可能僅是生物礦化的副產品，其他進化功能常被忽視。揭示其傳統防御外的未知機制對理解利用天然材料至關重要。

鑒于此，香港城市大學盧健教授、香港科技大學王鉆開教授、華中科技大學閆春澤教授、蘇彬教授研究發現，海膽骨架（例如海膽刺）中的生物礦化多孔固體具備一種前所未有的機械電感知能力。其響應電位和響應時間均比棘皮動物的視覺感知高出一到三個數量級。這種非凡的感知能力源于沿刺軸向（[001]方向）存在的梯度多孔結構，該結構在液體流動時會在骨架表面產生差異化的電荷密度。受此啟發，研究團隊利用三維打印技術制造出仿海膽刺結構，其電壓輸出是無梯度樣品的三倍，振幅差更是高達八倍。在此基礎上，他們進一步開發出一種受自然啟發的超材料機械感受器，能夠在水下實現時間分辨的自我監測。相關研究成果以題為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”發表在最新一期《nature》上。

機械電感知能力

研究團隊首先對長刺海膽（Diadema setosum）活體進行了原位觀測。結果顯示，當海水水滴落在其刺的頂端時，刺會在1秒內相對于體殼軸發生約10°的快速旋轉，而未被滴落的周圍刺則無反應（圖1b）。高速成像測得該機械電感知的響應時間約為88毫秒。通過連接在刺上不同位置的電極進行電信號監測，發現當水滴落到刺頂端時，會產生約116 mV的峰值電位（圖1d）；在完全浸沒于海水中并受到水流刺激時，也能檢測到約30 mV的瞬時電位（圖1e）。值得注意的是，活體和死亡海膽刺對水滴刺激的響應電位并無顯著差異（圖1f），組織學證據也表明刺表面或三維骨架結構內不存在活細胞組織。這說明該感知機制不依賴于生物活體組織，而是一種此前未被認識的物理機制。與箱型水母、招潮蟹等常見海洋動物的感知能力相比，海膽刺的這種機械電感知在響應電位和響應時間上均展現出顯著優勢（圖1g）。

圖 1 對活體海膽機械電感知的原位觀察

刺內的梯度多孔結構

通過掃描電子顯微鏡和微計算機斷層掃描技術，研究人員發現海膽刺的骨架網絡沿[001]方向（從刺基部到頂端）呈現出顯著的形態和尺寸梯度（圖2a-d）。該骨架網絡由含鎂方解石、無定形碳酸鈣和少量晶內有機物構成，具有典型的雙連續形態（固相和孔隙相）。重要的是，固相和孔隙相的直徑均沿[001]方向呈現明顯的梯度變化。在刺基部，孔隙相的局部厚度（dv）中位數約為60.9 μm，喉道直徑（dt）中位數約為60.9 μm；而在刺頂端，dv中位數降至約44.2 μm，dt也相應減小（圖2j）。同時，刺頂端的骨架微結構具有更高的比表面積（2.50±0.14 m2/g）和孔隙率（66.9±2.1%），分別比基部高出約23%和5.3%（圖2k）。這種梯度結構增強了頂端固-液界面的相互作用位點。

圖 2 脊柱內沿 [001] 方向的雙連續立體梯度

機械電感知機制

電測試和有限元模擬揭示了該機械電感知的物理機制。當液體注入并完全浸潤海膽刺時，可檢測到超過20 mV的即時電位（圖3a）。壓電常數測量排除了壓電效應的可能性。在完全潤濕狀態下，刺對水流表現出實時電位響應，流動產生電壓，停止則電壓消散（圖3b），這表明測得的電位源于流動電位。其原理是：刺與液體初始接觸時形成雙電層；液體流動剪切雙電層，導致電荷分離與重排，產生流動電位（圖3c）。海水中高離子濃度會壓縮雙電層，降低界面電荷密度和離子遷移率（圖3d）。由于刺頂端的孔隙直徑更小，液體流經時流速和壓力增大，加劇了對雙電層的剪切作用；同時，頂端更高的比表面積增加了雙電層的建立密度和界面碰撞頻率。這些因素共同作用，使得刺頂端在液體流動時產生更高的界面電荷密度，從而在整個刺上形成顯著的電位差，且該電位隨流速增加而升高（圖3e）。

圖 3 脊柱內機械電感知機制

通用性與應用

受此自然現象啟發，研究團隊利用三維打印技術，基于三周期最小曲面設計了模仿海膽刺梯度雙連續形態的人工樣品（圖4a）。無論是聚合物還是陶瓷材料打印的仿刺結構，在注水時均能產生明顯的電壓輸出（圖4b），證實了該響應主要由形態決定。與無梯度的對照樣品相比，具有梯度多孔結構的氧化鋁（Al?O?）樣品電壓輸出提高了三倍，振幅差提高了八倍（圖4c）。進一步地，他們構建了一個由3×3個梯度多孔單元組成的超材料機械感受器（圖4d）。當將該感受器浸入水中并隨機施加水流刺激時，通過監測各個單元的電壓輸出，能夠實時繪制出水流刺激的空間分布圖，實現水下時間分辨的自感應水流定位（圖4e）。

圖 4 梯度細胞結構賦予的機械電感知能力的普遍性、實用性和適用性

總結與展望

這項研究揭示了海膽刺中一種此前未被探索的機械電感知機制，證明了沿其軸向分布的梯度多孔結構是產生該能力的關鍵。在液體流動時，這種結構通過產生顯著的流動電位，賦予了材料卓越的感知性能。這一發現不僅深化了對棘皮動物感知能力以及自然界中木、海綿、骨小梁等負載敏感型仿生多孔材料的理解，也為其功能應用開辟了新途徑。研究團隊通過3D打印成功復制并強化了這一機制，并構建了可在水下進行時空自感應的超材料機械感受器。這預示著，面向水下時空傳感和水資源利用等領域，開發具有功能梯度的多孔材料將擁有廣闊的前景。