棘皮动物立体骨架梯度结构实现机电感知

海胆刺如何感知世界

海胆看起来像海里的针垫，但本研究揭示它们锋利的刺隐藏着一种令人惊讶的能力：其刺可以充当内置的流动传感器和微小发电机。通过揭示海胆骨骼如何将水流转化为电信号，这项工作为设计可监测水下环境或从流动水中收集能量的智能材料提供了新思路。

比视觉反应更快的刺

研究者研究了一种常见的长刺海胆，其深色刺可达数厘米长。当一小滴海水滴到刺尖时，该单根刺迅速旋转约十度，而邻近的刺保持不动。电学测量显示，该刺在不到十分之一秒的时间内产生了令人惊讶的较大电压——超过十分之一伏。值得注意的是，这种反应在强度和速度上比已知的相关动物的光感能力高出一到三个数量级，并且即便海胆不再有生命迹象时仍然发生。这意味着该效应不依赖于神经或活体组织，而是依赖于刺的矿物结构本身。

隐藏的海绵状骨架

为找出这种异常灵敏性的来源，团队使用高分辨率成像绘制了刺的内部。在硬外壳之下是一个空心中央通道，周围环绕着精致雕刻的海绵状框架，被称为立体骨架（stereom）。该矿物网络由平滑弯曲、相互连接的枝状结构和贯穿刺体的孔隙构成。关键在于，从刺基部到刺尖，实心支柱和它们之间的空隙均逐渐变小。靠近刺尖处，结构的空隙更多、孔径更细，单位重量的内部表面积也远大于基部。这种连续的内部梯度将刺变成了一个为流动水精细调节的通道。

将流动转为电能

随后，科学家们测试了水流通过这种多孔骨架如何产生电信号。当水首先润湿矿物表面时，电荷在固–液界面排列形成一层薄薄的电荷层。随着水在狭窄通道中流动，它会拖拽部分这些电荷，使得另一部分电荷留在表面上。这种电荷分离产生所谓的流动电位——仅在流体移动时出现的电压。由于刺尖附近孔隙更小且表面积更高，水流在该处加速并与更多矿物表面发生摩擦，从而增强了电荷分离。测量与计算机模拟表明，孔径与表面积的这种梯度对于产生所观测到的大电压至关重要，并且电压随水流速度的增加而增大。

制造人工感流刺

受海胆启发，团队利用先进的三维打印技术，用聚合物和陶瓷制造出具有类似内部梯度的人工刺。这些人造样本模仿了天然的海绵状几何结构（但不完全复制化学成分），在水流通过时同样产生了明显的电压信号。当内部梯度被移除时，电响应显著下降：具有梯度设计的样品产生的电压约为无梯度样品的三倍，信号变化幅度大约也高出八倍。研究者还进一步创建了由九个元件组成的这种结构阵列——一种三维“皮肤”，仅通过读取不同节点的电压就能检测水流打击的位置和强度。

从海胆到智能水下材料

这项工作表明，海胆的刺不仅能保护动物；其有梯度的内部骨架还作为一种敏感的被动流动检测器，驱动力来自流动水和带电表面的物理特性。通过模仿这些自然设计原则——孔径的渐变、高内部表面积以及完全互连的通道——工程师可以创造出无需传统传感器或电源就能感知并绘制水流的材料。这类仿生结构未来可用于监测洋流、引导水下机器人以及改进水资源管理与利用系统。

引用: Chen, A., Wang, Z., Guan, Z. et al. Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception. Nature 651, 371–376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9

关键词: 海胆刺, 机电感测, 梯度多孔材料, 流动电位, 水下流动探测