近日，香港城市大学吕坚教授、香港理工大学王钻开教授、华中科技大学闫春泽教授与苏彬教授的联合团队，在顶级期刊《Nature》发表了一项颠覆性研究：他们首次发现，海胆刺的梯度多孔结构，居然自带机械电感知能力，甚至比海胆自身的视觉感知还要快上千倍！更重要的是，科学家们用 3D 打印把这个天然机制复刻了出来，做出了能在水下自供电、实时感知的仿生超材料传感器。
海胆刺的梯度多孔结构表征，从基部到尖端，孔隙尺寸呈现连续的梯度变化（图片来源：香港理工大学官方研究新闻稿）
在此之前，科学家们研究自然界的多孔材料，比如木材、骨小梁，大多只关注它们的力学性能 —— 毕竟这些结构看起来就是为了 “又轻又强” 进化来的。而棘皮动物比如海胆，一直被认为缺乏专门的感觉器官，它们的刺，也一直被当成只是防御用的 “盔甲”。
但这次，研究团队打破了这个固有认知。他们在长刺海胆（Diadema setosum）身上发现了惊人的现象：当一滴海水滴到海胆刺的尖端时，刺会在 1 秒内快速转动，而更神奇的是，刺内部居然产生了高达 100 毫伏的电压！哪怕是已经失去活性的死刺，也能产生这个响应 —— 这说明，这个感知能力，根本不是来自生物细胞，而是来自刺本身的材料结构！
借助电子显微镜的观测，研究团队终于揭开了谜底：海胆刺的内部，是一种叫做 “stereom（海胆骨小梁）” 的双连续多孔骨架，而最关键的是，这些孔隙的尺寸，沿着刺的轴向呈现出完美的梯度：刺的基部孔隙更大、固体密度更低，而越往尖端，孔隙越小、固体密度越高，比表面积也越大。
当水流过这些多孔的微通道时，会和固液界面的双电层发生相互作用，剪切力会带动界面电荷分离、重新分布，从而产生流动电位 —— 也就是我们看到的电压信号。而这个梯度结构，会极大地放大这个效应：尖端的高比表面积让电荷分离更充分，梯度的通道让水流和界面的相互作用被强化，最终产生的感知能力，比海胆的视觉感知还要快 1 到 3 个数量级！
研究团队 3D 打印制备的仿生机电感受器阵列，可实现水下实时定位感知（图片来源：香港理工大学官方研究新闻稿）
既然这个能力来自结构，而不是材料本身，那是不是我们也能人工做出来？
没错！研究团队用光固化 3D 打印技术，用聚合物和陶瓷材料，完美复刻了海胆刺的梯度多孔结构。实验结果让人惊喜：这种仿生结构，在水流刺激下的电压输出，是普通无梯度多孔样品的 3 倍，信号振幅更是高达 8 倍！
在此基础上，他们进一步做出了一个 3×3 的阵列式仿生机电感受器。这个小小的传感器，不需要外接电源，就能在水下实时记录电压信号，还能精准定位水流撞击的位置 —— 相当于把海胆的天然感知能力，完完全全搬到了人工材料里！
这项研究，彻底改变了我们对天然多孔材料的认知：原来，这些看起来只是为了力学性能进化出来的结构，居然还藏着这么精妙的感知功能！
而这个发现，也为未来的传感器技术打开了新的大门：这种自供电、高灵敏度的水下感知材料，未来可以用在海洋监测、水下基础设施检测，甚至是脑机接口、航空航天的传感领域 —— 毕竟，这个结构机制，只要换不同的材料，就能适配压力、振动、电磁波等各种不同的信号感知。
相关研究成果于 2026 年 2 月 25 日发表于《Nature》，论文标题为 Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9
