香港城市大学、香港理工大学和华中科技大学的联合研究团队，近期基于海胆刺的生物结构，成功开发出通过3D打印制造的智能材料。

这一进展源于研究团队对长刺海胆的观察。他们发现，海胆刺内部天然的多孔陶瓷结构，在与水接触时能够产生可测量的电压，团队将这种能力描述为力电感知。

当一滴海水滴落在海胆刺尖端时，电压测量显示产生了约100毫伏的瞬态电势，流动的水则能产生稳定电信号，整个响应过程发生在几十毫秒内。

研究的关键在于，即使是不含活性细胞组织的海胆刺也产生了相同的电压响应，这证实该效应源于材料的物理微观结构，而非生物组织。

分析显示，每根海胆刺都包含一个称为“骨元”的双连续多孔骨架，其孔径沿刺的轴向呈梯度变化。当流体流经微通道时，特定的梯度结构增强了电荷分离，从而输出可测量的流动电势。

为了复现这一现象，该团队利用光固化3D打印技术，制造了仿生梯度多孔聚合物和陶瓷样品。实验结果表明，与无梯度结构相比，仿生设计的电压输出提高了三倍，信号幅度提高了八倍，这证明力电感知主要受拓扑结构支配。

基于此，研究人员构建了一种包含多个梯度单元的仿生超材料力感触器，该器件能够实时检测水下流动的方向和强度，且无需外部传感器或电源。

“通过仿生结构设计和3D打印，我们成功地将大自然的智慧转化为智能材料，”香港城市大学工学院院长、机械工程系讲座教授陆健表示，这项研究旨在将自然界的结构-功能一体化概念扩展到工程系统中，为新一代自感知智能材料铺平道路。

该团队认为，这项技术未来在海洋环境监测、水下勘探、水资源管理、能源存储、生物医学设备和航空航天工程等领域具有潜在应用价值。