理大研究拆解海膽棘刺「機電感知」能力 賦能新一代仿生傳感器

香港 -Media OutReach Newswire- 2026年3月5日 -海膽的棘刺除了有防御功能，原來還是天然傳感器。由香港理工大學（理大）協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鉆開教授聯合香港城市大學、華中科技大學學者組成的研究團隊首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能迅速感應水流。團隊并利用3D打印技術制造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破，推動海洋環境監測、水下基建管理等深海科技的發展，更可拓展應用至腦機接口、航空航天等新興領域。

由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鉆開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，并利用3D打印技術制造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽（Diadema setosum）身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激后，內部會產生約百毫伏電壓；而棘刺浸在水中時，水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中都能出現，證相關機制與生物細胞無關。

這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架（stereom）：由大小不一的孔洞組成，并沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經多孔結構時，固液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，并誘導界面電荷的分離和重新排布，從而產生電壓差。而梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈、電壓差更強，提升棘刺的感知能力。

受上述發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷制作模仿棘刺結構的樣本。實驗證實在水流刺激下，仿生設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在于結構而非材料。他們并構建了一款3×3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均采用了梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下實時記錄電訊號，并精準定位水流沖擊位置。

研究團隊指，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號的傳遞，提升傳感器的精準度及靈敏度。這種強大機電感知機制可以復制至不同材料，更有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術，例如在腦機接口中用以增強腦電波及神經訊號的傳遞，應用潛力無可限量。

王鉆開教授表示：「相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。我們期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特征來制造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力?！?/p>

王教授團隊長期致力于仿生科學與工程研究，曾受荷葉自清潔效應與南洋杉表面液體自發驅動現象啟發，開發具備快速排水功能的新型功能材料；以及模仿真菌噴射孢子的生物機制，研發能自主彈射冷凍水滴的防結冰結構。他期望研究能為開發仿生材料開辟全新思路：「對于天然多孔材料而言，強度等力學性能或許并非其核心功能，而只是復雜生物礦化過程的次要效應。深入探索這些鮮為人知的生物機制，全面認識并充分利用天然材料，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義?！?/p>

此項聯合研究由王鉆開教授與香港城市大學的呂堅教授，以及華中科技大學的閆春澤教授和蘇彬教授共同領導，已刊登于國際學術期刊《自然》上。