海星等棘皮动物的骨骼结构如何感知机械刺激

多孔固体（也称为结构泡沫）广泛存在于自然和工程系统中，如木材、松质骨、储能材料和催化剂等，因其优异的质量传输、力学性能和能量吸收能力而备受关注。近年来，研究人员致力于开发受自然系统（如棘皮动物的网状骨架）启发的多孔微结构材料，以获得卓越的机械强度和损伤容限。这些研究揭示了多孔固体通过分支损伤带和双尺度分级微晶格实现的强韧化机制，为实验室和工业应用的工程结构设计提供了灵感。值得注意的是，这些天然多孔固体的进化可能并非主要为了提升力学性能，而可能是复杂生物矿化过程的副产品。揭示其传统机械防御功能之外的未知机制，对于全面理解和利用这些天然形成的多孔固体至关重要。

本研究发现，长刺海胆（Diadema setosum）的生物矿化棘刺具有此前未被探索的机械电感知行为。其棘刺呈典型的尖刺状，长度约5-8厘米。对活体海胆的原位观察表明，其棘刺具有独立且高度灵敏的触觉感知能力。当海水液滴滴落到棘刺顶端时，棘刺会在1秒内相对于体壳轴发生约10°的快速旋转，而未接触液滴的周围棘刺则无明显反应。高速成像显示，棘刺机械电感知的响应时间约为88毫秒。

通过数据采集和数字万用表系统，在精确控制的水合刺激下（由定制海水液滴和流动发生器提供），监测活体海胆棘刺的触觉传感电事件。当海水液滴落到棘刺顶端时，暴露在空气中的棘刺会产生峰值振幅约116毫伏的电位；在水下海水流动刺激下，浸没的棘刺会产生约30毫伏的瞬态响应电位。值得注意的是，活体和死亡海胆棘刺对液滴刺激的响应电位无显著差异，组织学证据也证实棘刺外表面或网状骨架三维结构内不存在活体细胞组织，表明这种响应电位与活体细胞无关，揭示了一种此前未被认知的机制。这种特殊的机械电感知能力，其响应电位和时间比棘皮动物的视觉高出1-3个数量级，也超过了箱水母、招潮蟹和斑马鱼等常见海洋动物的感知能力。

扫描电镜（SEM）和显微计算机断层扫描（μ-CT）显示，海胆棘刺沿[001]方向（从基部到顶端）具有连续的形态特征，主要由多孔网状骨架网络、内部中空通道和致密外层棘轮状结构组成。网状骨架网络由含镁方解石、无定形碳酸钙和少量晶内有机物组成，呈现典型的双连续形态（包含固相和空相），具有高度弯曲和光滑的最小表面。值得注意的是，固相和空相的直径沿棘刺[001]轴均呈现显著的梯度变化：基部空相直径中位数约60.9微米，顶端约44.2微米；顶端的比表面积（2.50±0.14平方米/克）和孔隙率（66.9±2.1%）分别比基部高约23%和5.3%。这种梯度结构有利于棘刺内部的流体对流和传输，且顶端增大的比表面积和孔隙率能增强固液界面相互作用和碰撞频率。

接触角测量表明棘刺表面沿[001]方向存在润湿性差异，液体易从基部渗透至顶端。体外电学测试显示，当水完全扩散通过棘刺时，可立即检测到超过20毫伏的电位；完全湿润状态下，棘刺对水流呈现实时电位响应，流体运动时产生可测量电压，流动停止后电压消失。准静态压电常数测量未检测到压电性，表明该电位源于流动电位：棘刺与液体接触时发生界面电荷转移并形成双电层（EDL），水流剪切双电层导致电荷分离和重排，从而产生流动电位。有限元模拟表明，梯度多孔结构在液体流动时导致网状骨架表面流体速度和压力差异，顶端较小的空相直径增强了流体速度和压力，加剧双电层剪切变形，增加界面电荷密度；同时，顶端增大的比表面积提升了双电层形成密度和界面碰撞频率，进一步提高固液界面电荷密度。

受自然现象启发，利用 vat 光聚合3D打印技术构建了模拟海胆棘刺梯度网状骨架形态的人工样品。设计的梯度三重周期最小表面（TPMS）晶格模仿了天然网状骨架的局部几何特征和梯度分布。3D打印的聚合物和陶瓷棘刺状样品在注水时均能产生明显的电压输出，证实电位响应主要由其形态决定；陶瓷材料因离子和共价键特性，比聚合物具有更优的离子解离和吸附能力，能形成更扩展的双电层以提高界面电荷密度。与无梯度样品相比，梯度样品的电压输出提高3倍，振幅差提高8倍，证明了梯度多孔结构赋予机械电感知的普适性。

此外，构建了一种受自然启发的3D超材料机械感受器，无需额外外部传感器即可实现水流的时间分辨自传感和映射。该感受器为3×3阵列结构，由9个带梯度多孔固体的节点单元组成。将其浸没在水中，节点单元的顶端和基部连接数据采集系统，可监测水流响应的电压输出。当随机水流作用于阵列顶端表面时，九个电极记录的响应电压强度取决于其与水流的距离，电压输出包络线可独立指示水流大小，归一化冲击电压图能确定水流冲击位置。这种3D超材料机械感受器具有优异的可制造性、结构设计性、材料普适性、几何和性能可控性，以及时间分辨水下自传感能力，有望通过3D打印技术扩展孔径尺寸（从微米到米）和表面形态，适用于海洋环境监测、智能水下探测和水资源管理等多种场景。

总之，本研究揭示了海胆棘刺中一种此前未被发现的机械电感知机制：沿[001]轴的梯度多孔固体通过液体流动时产生显著的流动电位，赋予其出色的机械电感知能力。这一发现推动了对棘皮动物未被充分研究的感知能力以及天然负载敏感仿生多孔固体（如木材、海绵和松质骨）的理解，为开发用于水下时空传感和水资源利用的功能梯度多孔材料开辟了新途径。