由香港城市大學（港城大）工學院院長、機械工程學系講座教授呂堅教授領導的研究團隊，首次揭示海膽棘刺內(nèi)部天然形成的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)存在出人意料的“機電感知”功能。當水滴或水流掠過棘刺表面時，其梯度多孔結(jié)構(gòu)能實時產(chǎn)生可測量的電壓信號，反應速度較棘皮動物的視覺感知快逾千倍。

圖為港城大工學院院長、機械工程學系講座教授呂堅教授

研究團隊受這一自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)設計與3D打印技術(shù)，成功復制并強化這項感知能力，為新一代智能感測與水下監(jiān)測材料開辟了全新方向。

這項題為《棘皮動物多孔立體網(wǎng)狀骨架梯度結(jié)構(gòu)賦予機電感知能力》的研究成果，近日于國際頂尖學術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。該研究由港城大與香港理工大學、華中科技大學合作完成。

研究人員在對長棘海膽進行原位觀察時發(fā)現(xiàn)，當一滴海水落在棘刺尖端時，棘刺會在約一秒內(nèi)迅速偏轉(zhuǎn)，表明其對外界刺激具有高度敏感的觸覺反應。進一步的電壓測量顯示，水滴刺激可產(chǎn)生約百毫伏的瞬時電位，而水流經(jīng)過時也能引發(fā)穩(wěn)定的電信號，整個反應僅需數(shù)十毫秒。即使棘刺已不含任何活細胞組織，仍能產(chǎn)生相同的電壓變化，證明此感知能力并非來自神經(jīng)或生物組織，而是源自材料與微結(jié)構(gòu)本身的物理機制。

通過掃描電子顯微鏡和微電腦斷層掃描分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，棘刺內(nèi)部由一種被稱為“stereom”的雙連續(xù)多孔骨架構(gòu)成，并沿棘刺軸線呈現(xiàn)明顯的孔徑梯度變化。與基部相比，尖端區(qū)域的孔徑更細小、孔隙率更高、比表面積更大，使液體流經(jīng)時能加強固液界面的電荷分離效應。當水流剪切這些微孔通道時，界面會形成電雙層并產(chǎn)生流動電勢，從而轉(zhuǎn)化為可測量的電壓信號，使棘刺猶如一個天然的微型傳感器。

為驗證這種結(jié)構(gòu)是否具有普適性，研究團隊利用光固化3D打印技術(shù)，制作出仿棘刺梯度多孔結(jié)構(gòu)的高分子及陶瓷樣品。實驗結(jié)果顯示，與沒有梯度設計的樣品相比，仿生梯度結(jié)構(gòu)的電壓輸出提升約三倍，信號振幅增加約八倍，證明機電感知功能主要由拓樸結(jié)構(gòu)驅(qū)動，而非材料本身的性質(zhì)所決定。研究人員進一步構(gòu)建了由多個梯度單元組成的仿生超材料機械傳感器，該裝置能夠在水下實時探測水流方向與強度，并進行時間分辨的自我監(jiān)測，無須額外的外置傳感器或電源。

圖為梯度細胞結(jié)構(gòu)賦予機電感知的通用性、實用性與適用性

呂教授表示：“通過仿生結(jié)構(gòu)設計與3D打印技術(shù)，我們成功把這種自然智慧轉(zhuǎn)化為智能材料。通過制造仿生功能材料，我們希望把自然界的結(jié)構(gòu)功能一體化概念，延伸至工程材料，開創(chuàng)新一代具自感知能力的智能系統(tǒng)?！?/p>

這項研究突破了天然多孔結(jié)構(gòu)僅用于提升力學性能的傳統(tǒng)認知，揭示了這一材料同時具備感知功能的潛力，為結(jié)構(gòu)功能一體化材料設計提供了新的思路。隨著3D打印技術(shù)的不斷突破，這套仿生梯度多孔結(jié)構(gòu)可在海洋環(huán)境監(jiān)測、智能水下探測、水資源管理、能源儲存、生物醫(yī)療，以及航空航天工程等領域應用，成為新一代結(jié)構(gòu)功能一體化材料的設計基石。

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