由香港城市大學(xué)（港城大）工學(xué)院院長、機(jī)械工程學(xué)系講座教授呂堅(jiān)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，首次揭示海膽棘刺內(nèi)部天然形成的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)存在出人意料的“機(jī)電感知”功能。當(dāng)水滴或水流掠過棘刺表面時(shí)，其梯度多孔結(jié)構(gòu)能實(shí)時(shí)產(chǎn)生可測量的電壓信號，反應(yīng)速度較棘皮動(dòng)物的視覺感知快逾千倍。
圖為港城大工學(xué)院院長、機(jī)械工程學(xué)系講座教授呂堅(jiān)教授
研究團(tuán)隊(duì)受這一自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，成功復(fù)制并強(qiáng)化這項(xiàng)感知能力，為新一代智能感測與水下監(jiān)測材料開辟了全新方向。
這項(xiàng)題為《棘皮動(dòng)物多孔立體網(wǎng)狀骨架梯度結(jié)構(gòu)賦予機(jī)電感知能力》的研究成果，近日于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。該研究由港城大與香港理工大學(xué)、華中科技大學(xué)合作完成。
研究人員在對長棘海膽進(jìn)行原位觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一滴海水落在棘刺尖端時(shí)，棘刺會在約一秒內(nèi)迅速偏轉(zhuǎn)，表明其對外界刺激具有高度敏感的觸覺反應(yīng)。進(jìn)一步的電壓測量顯示，水滴刺激可產(chǎn)生約百毫伏的瞬時(shí)電位，而水流經(jīng)過時(shí)也能引發(fā)穩(wěn)定的電信號，整個(gè)反應(yīng)僅需數(shù)十毫秒。即使棘刺已不含任何活細(xì)胞組織，仍能產(chǎn)生相同的電壓變化，證明此感知能力并非來自神經(jīng)或生物組織，而是源自材料與微結(jié)構(gòu)本身的物理機(jī)制。
通過掃描電子顯微鏡和微電腦斷層掃描分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，棘刺內(nèi)部由一種被稱為“stereom”的雙連續(xù)多孔骨架構(gòu)成，并沿棘刺軸線呈現(xiàn)明顯的孔徑梯度變化。與基部相比，尖端區(qū)域的孔徑更細(xì)小、孔隙率更高、比表面積更大，使液體流經(jīng)時(shí)能加強(qiáng)固液界面的電荷分離效應(yīng)。當(dāng)水流剪切這些微孔通道時(shí)，界面會形成電雙層并產(chǎn)生流動(dòng)電勢，從而轉(zhuǎn)化為可測量的電壓信號，使棘刺猶如一個(gè)天然的微型傳感器。
為驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)是否具有普適性，研究團(tuán)隊(duì)利用光固化3D打印技術(shù)，制作出仿棘刺梯度多孔結(jié)構(gòu)的高分子及陶瓷樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與沒有梯度設(shè)計(jì)的樣品相比，仿生梯度結(jié)構(gòu)的電壓輸出提升約三倍，信號振幅增加約八倍，證明機(jī)電感知功能主要由拓樸結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，而非材料本身的性質(zhì)所決定。研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了由多個(gè)梯度單元組成的仿生超材料機(jī)械傳感器，該裝置能夠在水下實(shí)時(shí)探測水流方向與強(qiáng)度，并進(jìn)行時(shí)間分辨的自我監(jiān)測，無須額外的外置傳感器或電源。
圖為梯度細(xì)胞結(jié)構(gòu)賦予機(jī)電感知的通用性、實(shí)用性與適用性
呂教授表示：“通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，我們成功把這種自然智慧轉(zhuǎn)化為智能材料。通過制造仿生功能材料，我們希望把自然界的結(jié)構(gòu)功能一體化概念，延伸至工程材料，開創(chuàng)新一代具自感知能力的智能系統(tǒng)。”
這項(xiàng)研究突破了天然多孔結(jié)構(gòu)僅用于提升力學(xué)性能的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了這一材料同時(shí)具備感知功能的潛力，為結(jié)構(gòu)功能一體化材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。隨著3D打印技術(shù)的不斷突破，這套仿生梯度多孔結(jié)構(gòu)可在海洋環(huán)境監(jiān)測、智能水下探測、水資源管理、能源儲存、生物醫(yī)療，以及航空航天工程等領(lǐng)域應(yīng)用，成為新一代結(jié)構(gòu)功能一體化材料的設(shè)計(jì)基石。
香港城市大學(xué)高度重視科研創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化，持續(xù)推進(jìn)研究、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)需求的深度對接。學(xué)校在材料科學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具備雄厚的科研實(shí)力，并通過跨學(xué)科合作與產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，加快推動(dòng)科研成果向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。未來，港城大將繼續(xù)發(fā)揮國際化科研平臺優(yōu)勢，促進(jìn)前沿科技成果轉(zhuǎn)化落地，為科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
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港城大位于香港的中心地帶，以創(chuàng)新精神專注于研究及專業(yè)教育兩大領(lǐng)域，致力為全球議題尋找解決方案，并推動(dòng)有益社會的轉(zhuǎn)變。
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