受海膽棘刺啟發 城大3D打印仿製「機電感知」智能材料

香港文匯報訊（記者高鈺）香港城市大學工學院院長呂堅領導的研究團隊，首次揭示海膽棘刺內部天然形成的多孔陶瓷結構，具備意想不到的「機電感知」功能：當水滴或水流掠過棘刺表面，其梯度多孔結構能即時產生可量測的電壓訊號，反應速度較棘皮動物的視覺感知快逾千倍。研究人員受此自然結構啟發，結合仿生結構設計與3D打印技術，成功複製並強化這項感知能力，為新一代智能感測與水下監測材料開闢嶄新方向。有關成果近日於國際學術期刊《自然》上發表。

這項研究由城大與香港理工大學、華中科技大學研究人員合作推動，他們以長棘海膽作原位觀察時發現，當一滴海水落在棘刺尖端，棘刺會在約一秒內迅速偏轉，顯示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，水滴刺激可產生約百毫伏的瞬時電位，而水流經過時亦能引發穩定電訊號，整個反應僅需數十毫秒完成。即使棘刺已無任何活細胞組織，仍能產生相同電壓變化，證明此感知能力並非來自神經或生物組織，而是源自材料與微結構本身的物理機制。

透過掃描電子顯微鏡及微電腦斷層掃描分析，團隊發現棘刺內部由一種稱為 「stereom」 的雙連續多孔骨架構成，並沿棘刺軸線呈現明顯的孔徑梯度變化。相較基部，尖端區域的孔徑更細小、孔隙率更高、比表面積更大，使液體流經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，界面會形成電雙層並產生流動電勢，從而轉化為可量測的電壓訊號。

為驗證這種結構是否具有普適性，他們利用光固化3D列印技術，製作出仿棘刺梯度多孔結構的高分子及陶瓷樣品。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，訊號振幅增加約八倍。研究人員更進一步構建由多個梯度單元組成的仿生超材料機械傳感器，能在水下即時偵測水流方向與強度，並進行時間分辨的自我監測，毋須額外的外置感測器或電源。

呂堅表示，研究突破了天然多孔結構僅用於提升力學性能的傳統認知，揭示其同時具備感知功能的潛力，而隨着3D打印技術的不斷突破，上述仿生梯度多孔結構，可在海洋環境監測、智能水下探測、水資源管理、能源儲存、生物醫療，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。