理大仿生傳感新突破 拆解海膽「機電感知」能力研製高效能水流傳感器

由香港理工大學、香港城市大學及華中科技大學學者組成的聯合研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔立體網狀骨架具有強大的機電感知能力，能迅速感應水流。團隊更利用3D打印技術，成功製造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破。

由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授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機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，並利用3D打印技術製造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。電學測量發現，棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓；水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中依然存在，證明相關機制與生物細胞無關。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，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。

這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架。該骨架由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化：基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經此多孔結構時，流液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，誘導界面電荷的分離和重新排佈，從而產生電壓差。梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈，使電壓差更強，從而提升感知能力。

團隊觀察到，當海水滴落在海膽棘刺尖端時，棘刺會迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓。

受此發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作出模仿棘刺結構的樣本。實驗證實，在水流刺激下，仿生梯度設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在於結構而非材料。

團隊更構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用梯度多孔結構。該傳感器無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。研究指出，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號傳遞，提升了傳感器的精準度及靈敏度。

這種強大的機電感知機制可以複製至不同材料，並有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術。例如在腦機接口中，可用以增強腦電波及神經訊號的傳遞。

海膽棘刺的機電感知能力源自其內部獨特的雙連續梯度多孔立體網狀骨架：由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。

領導研究的理大協理副校長（研究）、研究生院長王鑽開表示，相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、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。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，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。

王鑽開期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力。他亦指出，對於天然多孔材料而言，強度等力學性能或許並非其核心功能，深入探索這些鮮為人知的生物機制，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義。
 
此項聯合研究已刊登於國際頂尖學術期刊《自然》上。

香港理工大學研究團隊應用智能閉環移動技術，研發新一代穿戴式復康裝置「Remind-to-Move（RTM）感知提示手環」，旨在協助中風患者實現更個人化的居家復康訓練。中風是香港第四大致命疾病，其後遺症「偏癱」常導致患者肢體活動能力受損，康復進程緩慢。

針對「習慣性廢用」研發

該手環由理大康復治療科學系副系主任、輔助技術研究中心主任方乃權教授帶領研發，專為因中風或大腦麻痺等神經系統疾病導致的半身偏癱患者而設。方乃權教授指出，患者出現肢體功能障礙後，往往不自覺依賴功能正常的肢體，形成「習慣性廢用」偏癱肢體的現象，窒礙康復進度。手環透過內置傳感器感應及分析患者的日常活動規律，適時發出震動提示信號，引導患者主動使用偏癱肢體進行訓練。

閉環系統結合AI實時調校

新一代手環的關鍵在於配備「閉環系統」，融合人工智能（AI）、腦神經科學及運動學相關技術。系統透過實時對比患者偏癱肢體與功能正常肢體的活動數據，自動調整訓練頻率與強度，提供即時反饋。相較於上一代採用固定方案的「開環系統」，閉環系統能更貼合患者個人情況，動態調節運動訓練方案。

研究顯示閉環系統效果顯著

研究結果顯示，開環與閉環系統均能改善患者手部功能與運動頻率，但閉環系統的優勢更為顯著。相較於開環組別，參加閉環組別患者的手部運動頻率明顯較高，手部功能改善亦較顯著。方教授解釋，閉環系統以AI賦能提供實時回饋，有助分析運動復康計劃與外部輔助裝置的相互影響，從而設計更針對性的治療方案，促進神經功能重塑。

已獲國際專利並拓展應用

方乃權教授的研究獲研究資助局「研究影響基金」資助，其開環及閉環RTM裝置已在美國及中國內地取得專利。上一代的開環RTM裝置已獲香港16間公立醫院及美國凱斯勒復康中心等國際機構採用逾10年，應用範圍已擴展至新加坡及中國內地。團隊現正招募中風患者參與新研究，參加者須佩戴新一代手環，並由職業治療師制定為期四周的遙距復康訓練，以深入分析治療成效。

理大康復治療科學系副系主任、輔助技術研究中心主任方乃權教授（中）帶領團隊研發新一代「RTM感知提示手環」，融合AI、腦神經科學及運動學相關技術，能自動實時調整治療方案，以實現更個人化的居家復康訓練。

新一代手環採用「閉環系統」，可根據用家實際的手臂運動情況發出提示，並提供即時反饋。

用户將手環佩戴於偏癱一側的手腕上，配合手機應用程式使用，系統會提供即時反饋，並自動實時調整治療方案，以實現更個人化的居家復康訓練。