解開海膽棘刺感知之謎，香港團隊引領仿生感測與腦機介面技術突破

在深邃的海洋生態系統中，生物為了適應嚴苛的環境，往往會演化出令人驚嘆的精妙生理結構。過去在生物學界，普遍認為海膽的棘刺僅是用來防禦掠食者、支撐身體以及輔助移動的物理性工具。然而，近日一項由香港理工大學（以下簡稱「理大」）主導的跨校、跨國研究顛覆了這項傳統認知。研究團隊首次證實，海膽棘刺內部特殊的「梯度多孔結構」使其天然具備卓越的「機電感知（Mechanoelectrical perception）」能力，能迅速且精準地感應周遭微小流體的動態變化。

本研究由理大協理副校長（研究）、研究生院院長暨機械工程學系講座教授王鑽開，聯合香港城市大學呂堅教授，以及華中科技大學閆春澤教授與蘇彬教授所帶領的頂尖學者團隊共同完成，其成果已於 2026 年 2 月底於國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）中刊登¹。該研究不僅揭示了自然界隱藏的物理機制，團隊更成功利用 3D 列印技術將此生物特性轉化為新一代仿生超材料感測器（Bionic metamaterial sensor），有望為海洋環境監測、水下基礎建設管理、生醫工程及腦機介面（Brain-Computer Interface，BCI）等尖端科技領域帶來新突破²。

顛覆認知的生物學發現：海膽棘刺竟是天然感測器

研究團隊在觀察刺冠海膽（Diadema setosum）的防禦行為時，注意到一個反射動作：當微量的海水精準滴落海膽棘刺尖端時，棘刺會在不到一秒內發生迅速旋轉。為了探究此現象背後的深層機制，研究團隊引入了精密的電學測量技術。

實驗數據顯示，當棘刺受到水滴動態刺激，其內部會瞬間產生約 100 毫伏特（mV）的電位差；而當棘刺完全浸沒於水環境中時，周圍微小的水流擾動同樣能誘發數十毫伏特的穩定電壓。最令研究人員意外的是，測試證實即便是已經死亡且失去細胞活性的海膽棘刺，依然能夠在水流刺激下穩定輸出電訊號。這項關鍵證據表明，棘刺的感知機制純粹源於其特殊的物理幾何結構與材料特性，而非生物化學反應。

拆解機電感知核心：雙連續梯度多孔微觀結構

研究團隊運用高解析度顯微技術深入剖析棘刺構造，發現其內部充滿了一種被稱為「雙連續梯度多孔立體網狀骨架（Stereom）」的複雜微觀結構。這種天然骨架由大小不一的孔洞組成，呈現出高度規律的「梯度變化」：棘刺基部的孔洞體積較大，固體密度較低；而越往棘刺尖端，孔洞體積逐漸縮小，固體密度則相對提高。當電解質溶液（如海水或人體組織液）流經這些多孔結構時，流動液體會對固液介面處的「雙電層（Electrical Double Layer）」產生強大的剪切應力，這種現象會誘發介面電荷的剝離與重新排佈，最終在兩端形成明顯的電位差。

論文明確指出，此種特殊的梯度設計是提升感知敏銳度的核心關鍵。相較於均勻的孔洞分佈，梯度結構能顯著增加流體與孔壁之間的碰撞機率與劇烈程度，產生更強、更穩定的電壓訊號。團隊隨後採用光固化 3D 列印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作模仿棘刺結構的樣本，成功在實驗室中還原海膽棘刺的微觀梯度結構。在對照實驗中，仿生梯度結構感測器的電壓輸出量是一般非梯度設計的 3 倍，其產生的電訊號振幅更激增了約 8 倍，證實決定機電感知效能的核心在於結構設計。此外，他們也構建了一款 3×3 陣列仿生 3D 超材料³機械傳感器，各組件均採用了梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

由香港理工大學協理副校長王鑽開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大的機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號。圖中他手持的就是團隊成員利用 3D 列印技術製造的仿生超材料感測器。（圖片來源：香港理工大學）

深度生醫應用：賦能下一代高靈敏腦機介面（BCI）

這項無需外部電源的仿生感測技術，在生醫工程特別是腦機介面（BCI）領域展現了極為廣闊的應用潛力。BCI 的核心技術瓶頸之一，在於電極與皮膚或神經組織之間的介面阻抗（Interface impedance）。傳統的平面金屬電極難以完美貼合人體柔軟且具微小起伏的組織，容易因微小移動產生雜訊（Motion artifact），且長期的異物排斥反應會導致微弱的腦電波（EEG）或神經動作電位訊號大幅衰減。

為解決此問題，生醫材料界近年致力於開發多孔性神經電極（Porous neural electrodes）。例如聖路易華盛頓大學（Washington University in St. Louis）團隊於 2022 年在美國化學學會《ACS Nano》期刊發表了一項重要突破，他們利用聚二甲基矽氧烷（PDMS）彈性體製成具備微米級孔洞的海綿電極（Sponge electrodes），並塗佈導電聚合物 PEDOT:PSS。研究證實，這種多孔結構能極大地增加電極與皮膚的有效接觸面積，將接觸阻抗大幅降低至傳統平面電極的五分之一以下，顯著提升了生理訊號的訊雜比（SNR）⁴。

理大團隊此次發現的雙連續梯度多孔結構為 BCI 電極設計提供了更進階的解答。傳統的多孔海綿電極（包括前述聖路易華盛頓大學團隊的研究）主要是透過增加表面積來被動降低阻抗。而理大團隊的梯度多孔設計，則具備主動放大導電性能的潛力。人體的大腦與神經組織周圍充滿了富含離子的組織間液（Interstitial fluid），當神經元放電或肌肉收縮時，往往伴隨著微小的組織液流動與壓力變化。若將此仿生梯度結構應用於 BCI 軟性神經電極，將能結合組織液的微流體動力學，發揮如同海膽在海水中一般的機電感知能力。這意味著未來的神經介面有望在不依賴外部放大電路的情況下，於固液介面端直接強化微弱神經訊號的傳遞強度與精準度。這對於推動精準度要求極高的神經義肢控制、失語症患者的神經語言解碼、甚至是深層腦部刺激（DBS）等先進醫療應用將產生深遠影響。

王鑽開教授在受訪時總結：「相比傳統機械感測器，團隊設計的仿生超材料感測器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。我們期望結合多孔結構的梯度與 3D 列印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料感測器，在更多領域發揮應用潛力。」

大自然數億年演化的微觀結構，往往蘊含突破當代生醫工程瓶頸的關鍵。理大團隊對海膽棘刺機電感知機制的解碼，不僅是一項卓越的跨領域科學成就，更為下一代高靈敏神經感測材料開闢了嶄新路徑。這項源於海洋生物的微小結構，正引領生醫科學界邁向一個更加精準、高效的腦機介面新紀元。

參考資料：