海膽棘刺的機(jī)電感知能力發展目標奮鬥，源于其沿[100]軸向的連續(xù)變化的梯度多孔結(jié)構(gòu)技術先進。香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開教授、華中科技大學(xué)閆春澤教授與蘇彬教授等研究團(tuán)隊(duì)延伸，創(chuàng)新性地采用場驅(qū)動(dòng)多拓?fù)涮卣黢詈显O(shè)計(jì)方法認為，結(jié)合高精度光固化3D打印技術(shù)，不僅復(fù)現(xiàn)了棘刺的梯度孔隙特征新趨勢，更成功再現(xiàn)了其機(jī)電感知功能反應能力。

該研究實(shí)現(xiàn)增材制造從被動(dòng)“復(fù)制結(jié)構(gòu)"轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)“創(chuàng)造功能"，在無機(jī)材料/結(jié)構(gòu)與有機(jī)生命感知之間建立了橋梁學習。這一里程碑研究成功發(fā)表于國際頂刊《Nature》結構重塑，標(biāo)題為“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception"，作者是香港城市大學(xué)陳安南博士應用優勢、王子秦博士生高質量發展。

原位觀察表明（圖1），活海膽棘刺具備相互獨(dú)立且高度敏感的觸覺感知能力高效節能。當(dāng)棘刺受到滴液刺激時(shí)影響力範圍，會在1 s內(nèi)相對于體殼軸線發(fā)生約10°的快速、可觀測旋轉(zhuǎn)新創新即將到來；相比之下不合理波動，周圍未受刺激的棘刺無任何響應(yīng)⌒Ц?；诟咚俪上駵y量前沿技術，該機(jī)電感知響應(yīng)的特征時(shí)間約為88 ms。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)字萬用表測得其感知電勢峰值約為116 mV性能，具有實(shí)時(shí)多種方式、可重復(fù)的刺激響應(yīng)性。該感知電位與響應(yīng)速度較棘皮動(dòng)物傳統(tǒng)視覺高出3個(gè)數(shù)量級技術創新。此外深入交流研討，將棘刺浸沒于海水中，在海水流動(dòng)刺激下同樣可檢測得峰值約為30 mV的感知電位廣泛應用。通過組織學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了棘刺外表面及其三維結(jié)構(gòu)中均未發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞組織關註度，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(rèn)知的物理/結(jié)構(gòu)起源機(jī)制哪些領域。

圖1. 活體海膽棘刺機(jī)電感知的原位觀察敢於挑戰。

SEM與μ-CT結(jié)果揭示生物礦化的海膽棘刺沿[001] 方向（由基部至尖部）具有雙連續(xù)（固相與孔隙相均連續(xù)）梯度的多孔立體網(wǎng)狀骨架（stereom）。stereom 材料組分以含鎂方解石為主建立和完善，伴隨無定形碳酸鈣以及少量晶內(nèi)有機(jī)組分（約1.4 wt%）提供了遵循。其微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高曲率參與水平、平滑的最小曲面特征。尤為重要的是服務效率，棘刺尖部的多孔結(jié)構(gòu)比根部表現(xiàn)出更小的孔徑尺寸明確相關要求、更高的比表面積與孔隙率。該梯度多孔結(jié)構(gòu)有望促進(jìn)棘刺內(nèi)部的流體對流與傳質(zhì)過程統籌發展，從而提升液體在骨架網(wǎng)絡(luò)中的輸運(yùn)效率深化涉外。此外，尖部區(qū)域更高的孔隙率與更小的孔隙特征尺度可增強(qiáng)固–液界面的相互作用強(qiáng)度生產製造，而更大的比表面積則提供更多界面接觸與碰撞位點(diǎn)開展試點，從而有利于界面過程的發(fā)生與放大（圖2）。

圖2. 海膽棘刺梯度多孔結(jié)構(gòu)分析具有重要意義。

當(dāng)棘刺潤濕時(shí)進一步，表現(xiàn)出對液體的實(shí)時(shí)響應(yīng)電勢：流體運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生響應(yīng)電壓，而在流動(dòng)停止后電壓消失強大的功能。這種響應(yīng)電勢主要源自流動(dòng)電勢實際需求。具體而言，棘刺與液體初次接觸時(shí)發(fā)生界面電荷轉(zhuǎn)移的特性，并在固–液界面建立電雙層（EDL）交流。當(dāng)棘刺被潤濕后，液體流動(dòng)對EDL產(chǎn)生剪切作用提供堅實支撐，誘導(dǎo)界面電荷的分離與重新分布還不大，從而形成流動(dòng)電勢；當(dāng)流動(dòng)終止信息化技術，電荷分離過程隨之停止發揮作用，界面電荷發(fā)生回遷與復(fù)合，導(dǎo)致電勢差消散逐步顯現。在海水流經(jīng)棘刺時(shí)同樣可檢測到該流動(dòng)電勢銘記囑托。

有限元模擬結(jié)果表明：與棘刺基部相比，尖部的孔隙相特征尺寸更小自動化裝置，可顯著提高局部流速與液體壓力示範，從而增強(qiáng)剪切驅(qū)動(dòng)的EDL形變與擾動(dòng)，進(jìn)而提升界面電荷密度有很大提升空間。相應(yīng)地運行好，測得的流動(dòng)電勢隨流速增加而升高，表明流動(dòng)引起的壓力提升可通過進(jìn)一步壓縮EDL來增強(qiáng)表面電荷密度可能性更大。此外部署安排，尖部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(jìn)一步抬升界面電荷密度。綜上推廣開來，沿[001]棘軸方向顯著的孔隙相梯度是產(chǎn)生高幅值流動(dòng)電勢的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)深入，使棘刺在水環(huán)境中獲得優(yōu)異的機(jī)電感知能力（圖3）。

圖3. 海膽棘刺內(nèi)的機(jī)電感知機(jī)制重要的。

圖4. 梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)賦予機(jī)電感知的通用性支撐能力、實(shí)用性和適用性資源優勢。

重要意義與未來展望：

此項(xiàng)研究將增材制造的研究前沿，從宏觀拓?fù)鋬?yōu)化推向更具挑戰(zhàn)的微觀結(jié)構(gòu)梯度編程與功能直接集成特征更加明顯，為未來智能器件的設(shè)計(jì)與制造開辟了全新路徑估算，極大地拓展了其在裝備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用深度與廣度數字技術。更為重要的是奮戰不懈，本研究確立了一套“發(fā)現(xiàn)自然獨(dú)特功能→解析其結(jié)構(gòu)本源→增材制造復(fù)現(xiàn)與優(yōu)化"的完整研究范式。這套可復(fù)制的藍(lán)圖措施，為未來利用增材制造技術(shù)解鎖更多自然奧秘大大縮短、創(chuàng)造新一代多功能材料與智能結(jié)構(gòu)，提供了堅(jiān)實(shí)的方法基礎(chǔ)緊密相關。

該研究工作的重要學(xué)術(shù)價(jià)值與創(chuàng)新性獲得了國際期刊《Nature》的認(rèn)可更默契了，其專欄“News & Views"對此進(jìn)行了專題評述。相關(guān)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.