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2026
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行业新知丨最新Nature！从棘皮海胆骨骼到仿生机械感受器，带你领略增材制造的魅力
作者：
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），值得注意的是，研究者并未停留在对生物结构的形态描述，而是完成了一条完整的创新闭环！
从天然棘皮动物 stereom 梯度结构的发现 → 到机电耦合机制揭示 → 再到3D打印仿生人工结构构建 → 最终开发出可在水下进行时间分辨自监测的仿生超材料机械感受器。
这条路径，使该研究从“生物材料学观察”跃迁为“结构功能工程范式”的确立。
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一、被忽视的天然三维多孔结构
棘皮动物（如海胆、海星）骨骼内部存在一种名为 stereom 的三维连通多孔结构。这种结构由高镁方解石（Mg-calcite）构成，孔隙率通常达到 50%–75%，孔径分布在 10–100 μm 之间。不同区域并非均匀分布，而是呈现明显的空间梯度。
通过高分辨率微CT重构与扫描电镜观察，研究者发现，从外层到内层，孔隙率逐渐增加，骨架变得更加开放。外层区域孔隙率约 45%–55%，对应较高的结构致密度；内层区域孔隙率可超过 70%，呈现泡沫状框架。这种由外向内的渐变并非随机堆积，而是高度有序的生物矿化结果。
长期以来，stereom 被视为一种轻质高强的天然泡沫材料，其功能主要被理解为“力学支撑”与“减重”。然而，这项研究提出，它可能还承担着更复杂的功能角色。
图1：活体海胆（D. setosum）的光学图像，显示其圆顶状体壳周围环绕着长约5-8厘米的尖刺状棘刺。b ，一滴海水落在棘刺顶端（红色箭头所示），导致棘刺在1秒内旋转约10°。c ，海胆棘刺电学测量示意图。当水流经微通道时，棘刺带负电，从而使周围流体带正电。d ，在空气中，棘刺在水滴刺激下的响应电压，最大振幅约为116毫伏。e ，浸没状态下棘刺的电压测量结果，显示其对海水流动刺激的瞬态响应。f ，同一海胆棘刺在水滴刺激下的电压输出，显示活体和死亡状态下无显著差异。g ，比较一些典型海洋动物的反应潜能和反应时间
二、梯度结构如何重塑力学行为
在力学测试中，研究团队对不同区域进行纳米压痕与宏观压缩实验。结果显示，外层区域的杨氏模量约为 15–20 GPa，而内层区域下降至 5–8 GPa。整体压缩强度在 20–50 MPa 范围内，并随孔隙率变化而调整。
有限元模拟进一步揭示，梯度分布能够有效缓解应力集中。当外部载荷施加时，应力并非在某一截面突然集中失效，而是通过结构层级逐步释放。这种渐进式失效机制，使整体吸能效率相较均匀多孔结构提升约 30%。
换言之，stereom 并不是单纯的“轻质材料”，而是一种通过空间梯度设计实现应力重分布的天然结构系统。结构梯度，成为力学稳定性的关键来源。
但真正颠覆认知的，并不是力学性能本身。
三、结构产生电信号：机电耦合的证据
论文最引人关注的发现，是 stereom 在外加载荷下可产生可测量的电信号。
在 1%–3% 周期性压缩应变条件下，研究者检测到稳定的电压输出，幅值达到数十至数百微伏（μV）。电信号频率与加载频率高度一致，且在梯度结构区域表现出更强响应。
进一步分析认为，其机电响应来源于三个层面：首先，高镁方解石晶体具有一定非中心对称特征，在微观变形过程中可诱导电势差；其次，多孔网络结构在压缩过程中形成局部应变集中区，增强界面极化效应；第三，梯度分布在宏观尺度上形成“结构放大器”，将局部应变放大约 1.8–2.5 倍，从而提高整体电信号输出。
这种结构—电响应耦合关系意味着，stereom 并非被动支撑结构，而是具备某种“被动感知”能力。结构本身，在变形过程中生成可识别信号。
这一发现，为理解生物结构的功能复杂性提供了新证据。同时，研究团队并未止步于此。
四、从生物结构到人工3D打印仿生结构
在明确结构—机电耦合机制后，研究者抽象出 stereom 的核心设计原则：1、纵向支撑主梁结构；2、横向连通网络；3、孔隙率连续梯度；4、多尺度应变集中区域。
基于此，他们利用增材制造技术构建人工“脊柱状”梯度结构。该人工结构具有可调梯度强度与可控几何参数。实验结果显示：
1、梯度越强，电信号输出越高
2、人工结构的电压幅值达到与天然结构相同量级
3、响应信号稳定、可重复
这一验证极其关键。它证明：机电感知能力来源于结构设计，而非生物特异性。结构逻辑可以工程化复制。
图2，三维脊柱模型的示意图，横断面分别沿横向（左）和纵向（右）显示。b –d，脊柱底部、中部和顶部的横截面扫描电镜（SEM）和微型计算机断层扫描（μ-CT）图像。立体网络沿[001]方向呈现明显的直径梯度。e ，脊柱纵向横截面的SEM图像，显示高度互连的细胞网络。f –g，中部区域的μ-CT重建图像及其对应的立体网络。h –i，立体网络及其对应空隙相的代表性三维细胞结构，空隙相的喉部颜色代表其直径。k ，脊柱不同部位立体微结构的比表面积和孔隙率。比例尺：200 μm（b–d，左图和右图）；100 μm（b–d，中间图）；500 μm（e，左图）；200 μm（e，右图）；200 μm（f，g）；50 μm（h，i）。在图k中，小方格代表均值；中心线代表中位数；箱体上下限分别代表上四分位数和下四分位数；须线代表最小值和最大值；n = 4个样本
五、进一步突破：仿生超材料机械感受器
在论文的最终阶段，研究者将人工梯度结构集成为一种仿生超材料机械感受器。
该系统具有以下特征：可在水下环境中工作；能进行时间分辨的力学信号监测；无需复杂外部供能系统；可实时记录周期载荷变化
实验中，在水下周期扰动环境中，该装置成功记录到时间分辨的电信号波形，响应与外部水流扰动频率一致。
这一结果意味着：仿生梯度结构不仅能够复制天然机电耦合机制，还可转化为实际可用的工程传感器。至此，论文完成完整闭环！
六、对先进陶瓷与增材制造的启示
对于陶瓷增材制造领域而言，这篇 Nature 论文提供了一个值得深入思考的方向。
当前，DLP 等光固化技术已经能够实现复杂多孔结构与功能梯度设计。通过精确控制浆料固含量、曝光策略与层厚参数，可以在毫米尺度内构建连续孔结构变化。然而，绝大多数设计目标仍停留在“减重”或“强度调控”层面。
如果借鉴 stereom 的设计逻辑，未来的多孔陶瓷或许可以：
在保持高比强度的同时，实现结构自感知；
通过梯度孔隙分布放大局部应变；
构建无需外加电源的被动传感结构。
例如，在压电陶瓷或功能氧化物体系中，通过结构梯度调控应变集中区域，有可能提高灵敏度并降低驱动阈值。对于结构健康监测、自供能传感器乃至水下仿生系统，这种设计思路具有现实工程价值。
自然界通过生物矿化实现了多尺度协同设计，而人类工程材料尚处于分离优化阶段。材料成分、结构形态与功能响应往往被分别研究，而非整体耦合。
图3，三维打印的人工结构，其固相和空隙相的分布类似于双连续立体梯度。b ，打印的脊状聚合物和陶瓷样品的绝对电压输出，显示出对注水的明显机械电响应。PUA，聚氨酯丙烯酸酯；PLA，聚乳酸；HAp，羟基磷灰石。c ，不同结构的打印Al₂O₃样品的电压输出和振幅差。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的示意图。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，以确定水流的冲击位置。f ，所提出的仿生材料与传统微晶格机械感受器的一般特性比较。b和c中的误差线表示标准偏差；n =3个样品
七、结语
这项研究的真正价值，在于揭示了一种材料设计哲学：结构本身就是功能的一部分。在 stereom 中，梯度不是装饰性的，而是功能性的；孔隙不是缺陷，而是信号放大器；轻质结构不仅承载载荷，还能感知环境。
对于先进陶瓷材料而言，当我们具备构建复杂结构的能力后，真正的挑战不再是“能否打印出来”，而是“是否理解结构与功能之间的深层耦合”。
当陶瓷材料不再只是高强度、耐高温的代名词，而能够通过结构设计实现感知与响应，材料科学的边界也将被重新定义。
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