從海膽棘刺到智能材料 港城大團隊用3D打印復制自然“感知結構”

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構存在出人意料的“機電感知”功能。當水滴或水流掠過棘刺表面時，其梯度多孔結構能實時產(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構啟發(fā)，結合仿生結構設計與3D打印技術，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)狀骨架梯度結構賦予機電感知能力》的研究成果，近日于國際頂尖學術期刊《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，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構本身的物理機制。

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。

為驗證這種結構是否具有普適性，研究團隊利用光固化3D打印技術，制作出仿棘刺梯度多孔結構的高分子及陶瓷樣品。實驗結果顯示，與沒有梯度設計的樣品相比，仿生梯度結構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構驅動，而非材料本身的性質(zhì)所決定。研究人員進一步構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。

圖為梯度細胞結構賦予機電感知的通用性、實用性與適用性

呂教授表示：“通過仿生結構設計與3D打印技術，我們成功把這種自然智慧轉化為智能材料。通過制造仿生功能材料，我們希望把自然界的結構功能一體化概念，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)。”

這項研究突破了天然多孔結構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，為結構功能一體化材料設計提供了新的思路。隨著3D打印技術的不斷突破，這套仿生梯度多孔結構可在海洋環(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，成為新一代結構功能一體化材料的設計基石。

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