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揭示，空氣污染中長期被忽視的「微生物成分」，如細菌、真菌與細胞碎片等，正構成潛在的健康威脅。研究發現，微細懸浮粒子（PM2.5）中的細菌內毒素雖僅佔總質量不足百萬分之一，卻足以引發近兩成的人體呼吸道發炎反應；團隊更在城市空氣中檢出具抗藥性的真菌，引起公眾對公共衞生的關注。

細菌內毒素毒性貢獻比例居首

這項由理大土木及環境工程學系與醫療科技及資訊學系團隊進行的研究，系統性分析了PM2.5中的微生物成分。結果顯示，PM2.5中的微生物成分以細菌為主，其中一種細菌細胞壁結構成分「內毒素」僅佔PM2.5總質量不足0.0001%，卻能引起高達17%的發炎反應。其毒性與質量之貢獻比例，在所有已知的PM2.5成分中居於首位。這意味著，要有效減低空氣污染帶來的健康風險，關鍵未必在於降低微細懸浮粒子的總質量，而是應精準鎖定並控制這些高毒性的微量成分。相關研究成果已刊登於學術期刊《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）。

領導研究的金靈教授指出，傳統空氣質素管理多聚焦於降低PM2.5的整體質量，但隨著全球推動減排，主要污染源已逐漸下降。他強調，過去被忽視的微生物污染物，在未來的公共健康風險管理中將扮演愈發重要的角色，準確識別這些有毒成分及其來源，將有助保障公眾健康。

城市空氣中檢出抗藥性真菌

除了細菌，研究團隊亦關注空氣中的真菌威脅。在另一項發表於《環境科學與技術快報》的研究中，團隊聚焦分析常見於城市地區可吸入懸浮粒子（PM10）中的念珠菌，探討其在社區中的擴散機制。

念珠菌目前已被世界衞生組織列為優先關注的病原體。研究團隊在城市空氣中檢出具多重抗藥性的近平滑念珠菌，並發現其與感染者的臨牀菌株之間存在遺傳近緣關係。這顯示一般市民在日常呼吸或皮膚接觸空氣時，有可能暴露於抗藥性真菌的風險中。研究同時揭示，念珠菌在城市環境空氣中呈現季節性流行，並廣泛分佈在污水處理廠、醫療機構及住宅大樓通風系統等人為場域。其中，近平滑念珠菌展現出極強的環境適應力與抗藥性，是主要的致病真菌威脅。

金教授表示，抗藥性真菌在環境與臨牀場域之間的流動，加上全球易感人羣持續增加，令抗真菌藥物抗藥性成為全球重要的環境健康議題。團隊下一步的研究目標，是要識別城市特有的真菌儲存庫，分析促進抗藥性的環境條件，並建立空氣傳播的動態模型，為制定更有效的公共衞生策略提供科學依據。

研究指出城市空氣中的細菌內毒素及抗藥性真菌對公眾健康構成潛在威脅。

理大土木及環境工程學系與醫療科技及資訊學系助理教授金靈教授（中）、醫療科技及資訊學系教授梁杏媚教授（右二），以及醫療科技及資訊學系助理教授（研究）周弘毅博士（左二）領導的研究揭示城市空氣微生物帶來的隱形健康威脅。