3D打印又上《Nature》：微纳3D打印复刻海胆感知能力，打造高性能水下传感器

        2026年2月25日，来自香港城市大学、香港理工大学、吉林大学以及华中科技大学的研究团队在《Nature》发表论文，题目为“Echinoderm stereom gradient structures enable mechanoelectrical perception”（棘皮动物立体梯度结构实现机械电感知）。研究团队揭示了海胆刺中未被发现的机械-电感知机制，并利用高精度3D打印技术成功复现了基于这种结构梯度的感知能力。
研究背景
        目前的增材制造与仿生工程研究多聚焦于模仿自然界“多孔固体”（如木材、骨骼）的力学性能，例如轻质高强或能量吸收。然而，自然界中的这些结构往往不仅是为了机械防御，还可能承载着感知等进化功能，这一点常被工程学界忽视。
      海胆（Diadema setosum）的长刺具有独特的防御形态。研究团队发现，这种海胆的刺并非单纯的“死”骨骼，它们对水流和触碰表现出惊人的灵敏度，当水滴落在刺尖或水流经过时，海胆能迅速做出反应。这种感知能力并非来自神经系统，而是源自其内部独特的微观结构。如何理解这种自然智慧，并通过先进制造手段将其转化为工程应用，是仿生制造领域的一大挑战。


△活体海胆机械电感知的原位观察。a, 活体刺冠海胆（D. setosum）的光学图像，显示其圆顶状的壳体周围环绕着长约 5–8 厘米的针状棘刺。b, 一滴海水滴落在棘刺尖端（红色箭头所示），导致棘刺在 1 秒内发生了约 10° 的旋转。c, 海胆棘刺电学测量的示意图。当水流经微通道时，棘刺带负电，导致周围的流体带正电。d, 在空气中受到液滴刺激时棘刺两端的响应电压，其最大幅值达到约 116 mV。e, 浸没在水中的棘刺的电压测量结果，显示了其对海水流动刺激的瞬态响应。f, 同一根海胆棘刺在液滴刺激下的电压输出，显示活体和死体状态之间没有显著差异。g, 一些典型海洋动物的响应电位和响应时间的比较。

研究内容
      为解开这一谜题，研究团队首先通过原位高速摄影和电信号测试，证实了海胆刺具有“机械-电感知”能力：其响应时间仅为88毫秒，响应电位比海胆的视觉信号高出1-3个数量级。进一步的微CT（μ-CT）和扫描电镜分析显示，海胆刺内部是一种双连续的“立体”（stereom）结构，且沿着轴向存在显著的结构梯度：从底部到尖端，孔隙率逐渐增加，孔径逐渐减小，比表面积增大。这种梯度结构导致液体流经时，固-液界面产生差异化的电荷密度，从而通过“流动电势”（Streaming Potential）效应产生电压信号。


△棘刺内机械电感知的机制。a, 水流过程中棘刺的电压输出，显示当水完全扩散穿过棘刺时立即产生超过 20 mV 的电位。b, 完全浸润棘刺的电压测量，显示对水流的实时响应。c, 液体流动过程中流动电位产生的示意图，显示显著的界面电荷分离。在棘刺尖端，立体网状结构中增加的比表面积促进了双电层（EDL）的形成和碰撞频率，增强了界面电荷密度。d, 去离子（DI）水和海水注入期间棘刺的流动电位（DI 水中棘刺的 ζ 电位与海水的比较）。海水中的高离子浓度诱导 EDL 压缩，降低界面离子迁移率和电荷密度。e, 不同流速下棘刺的电压输出，显示流动电位随流速增加而增加。

为了验证这一机制并实现工程化应用，团队引入了先进的3D打印技术：
•数字化设计： 团队利用三重周期极小曲面（TPMS）晶格设计，在计算机中重建了模仿海胆刺内部孔隙和实体分布的梯度模型。
•光固化3D打印： 使用高精度光固化3D打印机，团队制造了具有精细梯度结构的人工脊柱样本。
•材料普适性验证： 团队打印了聚合物树脂以及氧化铝（Al₂O₃）等陶瓷材料。


△梯度细胞结构赋能的机械电感知的通用性、实用性和适用性。a, 人工结构的 3D 打印，这些结构在固体和孔隙相分布方面类似于双连续立体网状梯度。b, 打印的棘刺状聚合物和陶瓷样品的绝对电压输出，显示注水时明显的机械电感知。PUA，聚氨酯丙烯酸酯；PLA，聚乳酸；HAp，羟基磷灰石。c, 具有不同结构的打印Al₂O₃样品的电压输出和幅值差。d, 由 N = 9 个具有细胞梯度结构的节点单元组成的仿生超材料机械感受器示意图。e, 超材料机械感受器的实时电压响应。插图显示了超材料机械感受器的归一化冲击电压图，用于确定水流的冲击位置。f, 所提出的仿生材料与用于机械感受器的传统微晶格的一般特性比较。
结果表明，只要具备这种特定的梯度结构，不同材料均能产生明显的电压响应，证明了结构设计的重要性超越了材料本身。
研究结果
实验结果表明，利用3D打印技术构建的仿生梯度结构，完美复现了海胆刺的感知功能。
•性能增强： 与没有梯度的均匀多孔结构相比，3D打印的梯度结构样品产生的电压输出提高了3倍，振幅差异提高了8倍。这证实了沿轴向的孔径变化是产生强电信号的关键。
•超材料机械感受器： 基于此原理，团队设计并打印了一个由3×3个单元组成的超材料机械感受器阵列。
•自供能传感： 该阵列无需外部电源或传感器，仅凭水流流过结构时产生的流动电势，即可实时监测水流的方向和强度，实现了水下环境的自感知。
3D打印机立大功
       特别值得指出的是，在关键的3D打印制造环节，研究综合采用了摩方精密（BMF）与北京十维科技（AutoCera）的高精度3D打印技术，为从机理验证到器件成型的全过程提供了核心支持。
•在研究初期，团队利用北京十维科技（AutoCera）的高精度陶瓷/聚合物3D打印机，制造了多种棘刺状样品。这些样品对于验证海胆棘刺内部结构在“机械-电”转换中的基础物理特性起到了决定性作用。
•在最终器件的开发阶段，研究人员采用了摩方精密（BMF的微纳级光聚合3D打印技术及耐高温树脂（HTL resin），成功构建了具有精细梯度结构的3x3阵列超材料机械感受器。得益于摩方精密设备在微米尺度上的制造能力，仿生器件完美复刻了海胆棘刺内部复杂的双连续梯度结构，实现了无需外部传感器即可在水下进行实时流体监测和定位的功能。
未来展望
这项研究展示了3D打印技术在功能性仿生材料制造中的核心地位：
•制造能力的跨越： 3D打印使得从微米级孔隙到宏观器件的跨尺度制造成为可能，能够精准构建传统工艺无法实现的复杂内部梯度结构。
•应用前景广阔： 这种基于结构梯度的自感知材料，可广泛应用于水下机器人触觉感知、海洋环境监测、智能水资源管理等领域。
•材料与结构的解耦： 研究证明了通过结构设计（而非仅仅依赖压电材料）即可实现力电转换，为利用各种软硬材料开发新型传感器开辟了新路径。
总结
       香港城市大学、香港理工大学与华中科技大学的联合团队，通过解析海胆刺的微观奥秘，结合先进的光固化3D打印技术，成功研发出一种新型梯度多孔材料。成果揭示了自然界中被忽视的结构感知机制，证明了增材制造技术在复现复杂生物功能结构、创造新型智能感知器件方面的巨大潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10164-9